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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., 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 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 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.

Ce mémoire d'habilitation décrit ma recherche effectuée en vue de mieux comprendre le mécanisme des tremblements de terre. Les ondes sismiques sont les principales données qui donnent accès à cette information, et mes travaux sont donc en lien direct avec les observations des capteurs sismiques (ou géodésiques) capables de détecter ces ondes. Les qualité, quantité et type de données disponibles m'ont conduit à aborder cette thématique sous trois angles différents, qui recoupent les trois chapitres de ce mémoire. A l'échelle mondiale, les capteurs large-bande du réseau global permettent une étude systématique et homogène de tous les séismes dont la magnitude est suffisante pour générer des ondes clairement analysables. Cette magnitude seuil est de l'ordre de 5.5-6 lorsque l'on analyse les ondes de volume se propageant dans la Terre. Par ailleurs, ces données sont accessibles en temps réel, ce qui permet d'obtenir des informations rapides sur les séismes, à condition que des techniques d'analyse automatisées soient mises en place. Ce double intérêt de l'approche globale -systématisme et rapidité- est développé dans le Chapitre I de ce mémoire. L'échelle mondiale trouve ses limites lorsqu'on s'intéresse aux détails du processus de rupture. Alors que les données mondiales sont suffisantes pour imager les caractéristiques moyennes de source (mécanisme au foyer, profondeur, magnitude de moment, fonction source), elles ne permettent généralement pas d'extraire avec précision les informations internes à la rupture sismique (distribution de glissement, vitesse de rupture locale). Pour ce faire, il est nécessaire d'utiliser des données plus proches de l'événement sismique, et de développer des techniques d'analyse adaptées à chaque configuration (analyses en réseau, analyses comparées entre le séisme principal et l'un de ses précurseurs...). Par ailleurs, et contrairement à l'échelle globale - où les données large-bande sont les données " reines " de l'analyse de la source -, l'analyse à distance plus proche permet et/ou requiert de diversifier les données utilisées. Cela peut passer par l'utilisation des capteurs accélérometriques, ou par la nouvelle utilisation des capteurs GPS en tant que sismomètres. Le Chapitre II s'intéresse à cette thématique de résolution fine des propriétés de source, avec un intérêt particulier pour la détermination de la vitesse de rupture. La mise en évidence récente des vitesses de rupture supershear (plus rapides que les ondes de cisaillement) et de leurs conséquences constituent un point important de ce chapitre. Enfin, il est intéressant de replacer la rupture sismique dans le cadre plus large des conditions qui stimulent ou inhibent son déclenchement. Dans cet esprit, je présente dans le Chapitre III des éléments de réponse venant de l'observation continue de la zone de subduction Equatorienne. Cette observation - incluant capteurs large-bande, accéléromètres, et GPS - se déroule depuis 2008 dans le cadre du projet ANR ADN, soutenu par l'IRD et en collaboration avec l'Institut de Géophysique à Quito. Nous montrerons dans ce chapitre comment l'occurrence de séismes lents sur l'interface de subduction est un facteur déclenchant de la sismicité.

How can we study earthquakes, these complex phenomenon occurring so deep under our feet that we cannot observe them directly? One unfortunate aspect of the problem is that we have to rely on measurements acquired at the surface of the Earth. These observations are incomplete, and the imagery of earthquakes is subject to biases induced by numerous approximations. Most of these approximations cannot be avoided, and stem from the poor resolution of the measurements, the inherent lack of knowledge of the physics of the Earth interior, and the bias induced by our modeling procedures. The imperfections of our models question our ability to robustly investigate earthquakes rupture, and thus to understand the physics driving them. The quest for robust images needs a thorough and exhaustive examination of the uncertainties that potentially corrupt the modeling procedure and its results, at least not to interpret improbable characteristics. Although measurement errors are usually accounted for, other kinds of approximations are overlooked. Here, we show that the impact of our simplified description of the Earth’s interior on earthquake models is significant, especially for the events with a large magnitude. We concentrate on two main sources of approximation: the architecture of seismogenic faults, and the temporal complexity of seismic and aseismic processes at play on these faults. We present two methodological developments allowing to estimate and account for uncertainties deriving from these approximations in modeling procedures. In particular, we show that introducing the uncertainties deriving from our approximation of the Earth’s physics is necessary to infer robust and realistic earthquake source models. Our analyses is supported by the use of probabilistic modeling approaches, allowing to explore the diversity and uncertainties of possible models., Les séismes rompent des failles inaccessibles situées à plusieurs kilomètres sous la surface terrestre. Alors, comment les comprendre puisque l’on ne peut les observer directement ? Notre seul recours est d’ausculter le globe terrestre depuis sa surface. Hélas, la quantité, la variété et la qualité de ces observations superficielles sont insuffisantes pour caractériser ces phénomènes complexes, et l’image des séismes que nous dressons est altérée par de nombreuses approximations. Ces approximations sont souvent nécessaires sous peine de ne pouvoir modéliser les séismes. Elles dérivent des limites de nos observations, de notre connaissance sommaire de la physique du globe terrestre, et des procédures de modélisation choisies. L’imperfection de nos modèles questionne notre capacité à reproduire la réalité de la rupture sismique, et peut remettre en cause notre compréhension des mécanismes qui la régissent. Notre quête de réalisme ne peut donc que s’accompagner d’une analyse exhaustive et détaillée des incertitudes qui corrompent potentiellement l’imagerie des séismes, ainsi que nos interprétations. Bien que les erreurs de mesures soient généralement connues et prises en compte, les autres approximations sont souvent négligées. Dans cette thèse, nous montrons que le manque de réalisme de notre description de l’intérieur du globe influence les modèles de séismes, surtout lorsque ces derniers ont une magnitude importante. Nous nous intéressons particulièrement à deux sources d’approximations majeures : l’architecture des failles, et la complexité temporelle des processus en jeu sur celles-ci. Deux méthodes sont présentées, qui permettent d’estimer, et de prendre en compte, les incertitudes dérivant de ces approximations dans les procédures de modélisation. Nous montrons que l’introduction de telles incertitudes, et d'autres incertitudes potentielles, est nécessaire pour imager des modèles de séismes fiables et réalistes. Nos résultats s’appuient sur l’utilisation de méthodes d’imagerie probabilistes, qui permettent d’analyser la diversité et l’hétérogénéité des modèles possibles. Nous montrons qu’une nouvelle génération de modèles sismiques est possible, plus réalistes que les modèles actuels, parce que reflétant notre méconnaissance du système Terre.

One of the major scientific problems in seismology is to estimate the ground motions expected at a given site from a future earthquake. The aim of this thesis is to test and validate two different methods of ground motions simulation based on the empirical Green's function (EGFs) approach and to provide elements that can help to develop a blind simulation methodology. In a first part, a simulation method based on a stochastic point source approach is validated on the real data of recent earthquakes well ins- trumented. Taking advantage of the availability of good quality records of small earthquakes that can be used as EGFs, two applications are made : one application to the Les Saintes earthquake Mw = 6.4 and one application to the L'Aquila earthquake Mw = 6.3. We have developed a blind simulation approach by taking into account an uncertainty on the parameter of stress drop ratio C. This approach allows to generate a set of synthetic accelerograms of a target earthquake varied enough to be representative of a large number of possible source scenario and taking into account in a statistical sense potential direc- tivity effects. Moreover, the variability of ground motions produced by our blind simulation approach is consistent with the variability of ground motion predictions purely empirical. Putting themselves in a real context of blind simulation, this approach is also applied to the simulation of an historical Pyrenean earthquake Mw = 6.1. In a second part, to be closer to current knowledge on the complexity of the kine- matics of a seismic source, we use a more complex extended source model, combining kinematic models of fractal composite sources with EGF approach to produce broadband synthetic accelerograms. The po- tential of the method is tested on an application to L'Aquila earthquake by setting the input parameters providing the best opportunity to reproduce the recordings of the target earthquake. This has produced very satisfying results on all ground motion parameters analyzed. This simulation method appears to be very promising for the implementation of a blind simulation methodology, even if the main difficulty lies in the need to define the variability of many poorly known input parameters in the simulation of a future earthquake.; L'une des problématique scientifique majeure en sismologie est de pouvoir estimer les mouvements du sol attendus en un site pour un futur séisme. L'objectif de cette thèse est de tester et de valider deux méthodes de simulation des mouvements du sol basées sur l'approche des fonctions de Green empiriques (FGEs) et d'apporter des éléments pouvant aider au développement d'une méthodologie de simulation en aveugle. Dans une première partie, une méthode de simulation basée sur une approche stochastique en point-source est validée sur les données réelles de séismes récents bien instrumentés. Profitant de la disponibilité d'enregistrements de petits séismes de bonne qualité pouvant être utilisés comme FGEs, deux applications sont réalisées : une application au séisme des Saintes Mw = 6.4 et une application au séisme de L'Aquila Mw = 6.3. Nous avons développé une approche de simulation en aveugle en prenant en compte une incertitude sur le paramètre de rapport des chutes de contrainte C. Cette approche permet de générer un ensemble d'accélérogrammes synthétiques d'un séisme cible suffisamment variés pour être représentatifs d'un grand nombre de scénarios de sources possibles et prenant en compte dans un sens statistique de potentiels effets de directivité. De plus, la variabilité des mouvements du sol produite par notre approche de simulation en aveugle est cohérente avec la variabilité des prédictions des mouvements du sol purement empiriques. En se plaçant dans un vrai contexte de simulation en aveugle, cette approche a également été appliquée à la simulation d'un séisme historique pyrénéen Mw = 6.1. Dans une seconde partie, afin de se rapprocher des connaissances actuelles sur la complexité de la cinématique d'une source sismique, nous nous appuyons sur un modèle de source étendue plus complexe, combinant des modèles cinématiques de sources composites à distribution fractale avec l'approche des FGEs pour produire des accélérogrammes synthétiques large-bande. Le potentiel de la méthode est testé sur une application au séisme de L'Aquila en fixant les paramètres d'entrée donnant la meilleure opportunité de reproduire les enregistrements du séisme cible. Cela a permis de produire des résultats très satisfaisants sur l'ensemble des paramètres des mouvements du sol analysés. Cette méthode de simulation apparaît comme étant très prometteuse pour la mise en oeuvre d'une méthodologie de simulation en aveugle, même si la principale difficulté réside dans la nécessité de définir la variabilité de nombreux paramètres d'entrée mal connus dans le cadre de la simulation d'un futur séisme.

Considerable effort has been made in the last two decades regarding the design and implementation of tools aimed at fast characterization of earthquake sources. As a fruitful harvest, a preliminary magnitude estimation is often available within fifteen minutes for a Mw=6.0 earthquake occurring anywhere in the world. But until recently, it still took several hours to determine the first order attributes of a great earthquake (e.g. Mw≥8.0) even in a well instrumented region. Our goal here is to develop a method providing fast centroid moment tensor (CMT) estimates for large earthquakes based on the W phase.The W phase is a very long period phase (100-1000 s) starting at the same time as the P-wave. It is conspicuous on broadband displacement records before the surface waves arrivals and can then be used for fast characterization of the source. We show that the W phase is not affected by shallow heterogeneities since a significant part of its energy is propagating deep into the mantle. Because of its long period nature, the W phase algorithm is particularly well suited for robust determination of CMT parameters for Mw≥7.5 earthquakes. For large earthquakes indeed, the source complexity is more evident which translates into significant variations of narrow-band magnitude estimations performed at short period. Tsunami earthquakes and outer-rise events provide good examples of this problem (Kanamori, 1972 ; Lay et al., 2009).In the last three years, several international collaborations have been established to use and test the algorithm online either at global or at regional scale. At teleseismic distances, the W phase method allows CMT estimates within half an hour after the earthquake origin time. At the regional scale, the CMT solutions are available between 6 min and 12 min after the origin time. The results obtained in real-time at the United States Geological Survey (USGS), the Pacific Tsunami Warning Center (PTWC), the Institut de Physique du Globe de Strasbourg (IPGS) and in the region of Mexico clearly indicate the robustness and the accuracy of CMT solutions computed using the W phase.Using a bayesian formulation, we propose a formal error analysis for seismic source inversion based on long period seismological data. Taking into account more realistic data uncertainties allows us to improve error estimates on the source model parameters but also to improve the solution itself. In this study, we also develop a method to estimate the uncertainty on the centroid depth. This parameter has a strong influence on the scalar seismic moment and on the fault dip estimated during CMT inversions.; Depuis une vingtaine d'années, un effort considérable a été effectué dans le développement d'outils dédiés à la caractérisation rapide de la source sismique. Jusqu'à récemment, plusieurs heures étaient encore nécessaires pour obtenir une information fiable sur la source des grands tremblements de terre. C'est dans ce cadre que s'inscrit ce travail, dont l'objectif principal est le développement et la mise en oeuvre d'une méthode de détermination rapide du tenseur moment sismique centroid (CMT) basée sur l'utilisation de la phase W pour les grands séismes. La phase W est une phase sismique correspondant essentiellement à la superposition des modes normaux supérieurs à très longue période (entre 100 sec et 1000 sec) arrivant entre l'onde P et les ondes de surface. Nous montrons que la phase W a l'avantage de ne pas être affectée par les hétérogénéités latérales superficielles puisque la majeure partie de son énergie se propage en profondeur. De par son caractère longue période, la phase W est particulièrement bien adapté à la caractérisation de la source pour les évènements de Mw>7.5. Pour les grands séismes en effet, la complexité de la source apparaît de plus en plus évidente aboutissant inévitablement à une variabilité des scénarios de sources estimés à courte période dans des bandes fréquentielles étroites. Les "séismes tsunami" et les séismes "outer-rise" sont des exemples extrêmes illustrant bien ce problème. Nous démontrons la robustesse de l'algorithme phase W développé pendant ce travail pour effectuer la caractérisation rapide et systématique de la source sismique. Il est aujourd'hui implémenté en temps réel dans plusieurs centres d'alerte à l'échelle globale et à l'échelle régionale. A des distances télésismiques, la méthode permet l'obtention du CMT dans la première demi-heure après le temps origine. A des échelles régionales, les résultats sont disponibles beaucoup plus rapidement, entre 6 et 12 minutes après le temps origine. Les résultats obtenus en temps réel à l'United States Geological Survey (USGS), au Pacific Tsunami Warning Center (PTWC), à l'Institut de Physique du Globe de Strasbourg (IPGS) et à l'échelle régionale au Mexique montrent clairement la robustesse et la fiabilité des solutions CMT obtenues en utilisant la phase W. En suivant une formulation bayesienne, nous proposons une analyse d'erreur formelle lors de l'inversion de la source sismique à longue période. La prise en compte plus réaliste de l'erreur sur les données permet non-seulement une estimation fiable de l'incertitude sur le modèle de source mais aussi l'amélioration de la solution elle même. Nous développons également une approche pour estimer l'erreursur la profondeur du centroid. Ce paramètre est important étant donné son influence sur le moment sismique scalaire et le pendage du plan de faille déterminés lors des inversions CMT.

Considerable effort has been made in the last two decades regarding the design and implementation of tools aimed at fast characterization of earthquake sources. As a fruitful harvest, a preliminary magnitude estimation is often available within fifteen minutes for a Mw=6.0 earthquake occurring anywhere in the world. But until recently, it still took several hours to determine the first order attributes of a great earthquake (e.g. Mw≥8.0) even in a well instrumented region. Our goal here is to develop a method providing fast centroid moment tensor (CMT) estimates for large earthquakes based on the W phase.The W phase is a very long period phase (100-1000 s) starting at the same time as the P-wave. It is conspicuous on broadband displacement records before the surface waves arrivals and can then be used for fast characterization of the source. We show that the W phase is not affected by shallow heterogeneities since a significant part of its energy is propagating deep into the mantle. Because of its long period nature, the W phase algorithm is particularly well suited for robust determination of CMT parameters for Mw≥7.5 earthquakes. For large earthquakes indeed, the source complexity is more evident which translates into significant variations of narrow-band magnitude estimations performed at short period. Tsunami earthquakes and outer-rise events provide good examples of this problem (Kanamori, 1972 ; Lay et al., 2009).In the last three years, several international collaborations have been established to use and test the algorithm online either at global or at regional scale. At teleseismic distances, the W phase method allows CMT estimates within half an hour after the earthquake origin time. At the regional scale, the CMT solutions are available between 6 min and 12 min after the origin time. The results obtained in real-time at the United States Geological Survey (USGS), the Pacific Tsunami Warning Center (PTWC), the Institut de Physique du Globe de Strasbourg (IPGS) and in the region of Mexico clearly indicate the robustness and the accuracy of CMT solutions computed using the W phase.Using a bayesian formulation, we propose a formal error analysis for seismic source inversion based on long period seismological data. Taking into account more realistic data uncertainties allows us to improve error estimates on the source model parameters but also to improve the solution itself. In this study, we also develop a method to estimate the uncertainty on the centroid depth. This parameter has a strong influence on the scalar seismic moment and on the fault dip estimated during CMT inversions., Depuis une vingtaine d'années, un effort considérable a été effectué dans le développement d'outils dédiés à la caractérisation rapide de la source sismique. Jusqu'à récemment, plusieurs heures étaient encore nécessaires pour obtenir une information fiable sur la source des grands tremblements de terre. C'est dans ce cadre que s'inscrit ce travail, dont l'objectif principal est le développement et la mise en oeuvre d'une méthode de détermination rapide du tenseur moment sismique centroid (CMT) basée sur l'utilisation de la phase W pour les grands séismes. La phase W est une phase sismique correspondant essentiellement à la superposition des modes normaux supérieurs à très longue période (entre 100 sec et 1000 sec) arrivant entre l'onde P et les ondes de surface. Nous montrons que la phase W a l'avantage de ne pas être affectée par les hétérogénéités latérales superficielles puisque la majeure partie de son énergie se propage en profondeur. De par son caractère longue période, la phase W est particulièrement bien adapté à la caractérisation de la source pour les évènements de Mw>7.5. Pour les grands séismes en effet, la complexité de la source apparaît de plus en plus évidente aboutissant inévitablement à une variabilité des scénarios de sources estimés à courte période dans des bandes fréquentielles étroites. Les "séismes tsunami" et les séismes "outer-rise" sont des exemples extrêmes illustrant bien ce problème. Nous démontrons la robustesse de l'algorithme phase W développé pendant ce travail pour effectuer la caractérisation rapide et systématique de la source sismique. Il est aujourd'hui implémenté en temps réel dans plusieurs centres d'alerte à l'échelle globale et à l'échelle régionale. A des distances télésismiques, la méthode permet l'obtention du CMT dans la première demi-heure après le temps origine. A des échelles régionales, les résultats sont disponibles beaucoup plus rapidement, entre 6 et 12 minutes après le temps origine. Les résultats obtenus en temps réel à l'United States Geological Survey (USGS), au Pacific Tsunami Warning Center (PTWC), à l'Institut de Physique du Globe de Strasbourg (IPGS) et à l'échelle régionale au Mexique montrent clairement la robustesse et la fiabilité des solutions CMT obtenues en utilisant la phase W. En suivant une formulation bayesienne, nous proposons une analyse d'erreur formelle lors de l'inversion de la source sismique à longue période. La prise en compte plus réaliste de l'erreur sur les données permet non-seulement une estimation fiable de l'incertitude sur le modèle de source mais aussi l'amélioration de la solution elle même. Nous développons également une approche pour estimer l'erreursur la profondeur du centroid. Ce paramètre est important étant donné son influence sur le moment sismique scalaire et le pendage du plan de faille déterminés lors des inversions CMT.

This work presents seismic source studies using near?field data. In accordance with the quality and the quantitv of available data we developped and applied various methods to characterize the seismic source. Macroseismic data are used to verify if simple and robust methods used on recent instrumental earthquakes may provide a good tool to calibrate historical events in France. These data are often used to characterize earthquakes to be taken into account for seismic hazard assessment in moderate seismicity regions. Geodetic data (SAR, GPS) are used to estimate the slip distribution on the fault during the 1992, Landers, California earthquake. These data are also used to precise the location and the geometry of the main events of the 1997, Colfiorito, central Italy, earthquake sequence. Finally, the strong motions contain the most complete information about rupture process. These data are used to discriminate between two possible fault planes of the 1999, north India, Chamoli earthquake. The strong motions recorded close to the 1999, Mexico, Oaxaca earthquake are used to constrain the rupture history. Strong motions are also used in combination with geodetic data to access the rupture history of the Landers earthquake and the main events of the Colfiorito seismic sequence. For the Landers earthquake, the data quality and complementarity offered the possibility to describe the rupture development with accuracy. The large heterogeneities in both slip amplitude and rupture velocity variations suggest that the rupture propagates by breaking successive asperities rather than by propagating like a pulse at constant velocity. The rupture front slows as it encounters barriers and accelerates within main asperities., Ce travail est consacré à l'étude de la source sismique en utilisant des données de champ proche. Selon la quantité et la qualité des données disponibles, nous avons appliqué différentes méthodes pour caractériser la rupture sismique. Nous avons, tout d'abord, validé des méthodes macrosismiques sur des séismes français récents. Ces données permettent d'estimer la localisation et la taille des séismes historiques et sont utilisées pour caractériser les séismes à prendre en compte lors de l'évaluation de l'aléa dans des régions à sismicité modérée. Les données géodésiques (SAR, GPS) nous ont permis d'estimer la distribution du glissement sur la faille lors du séisme californien de Landers (1992). Ces données nous ont permis de préciser la localisation et la géométrie des failles ayant joué lors des principaux événements de la séquence sismique italienne de Colfiorito (1997). Enfin les données de mouvement fort nous ont permis d'estimer le pendage de la faille ayant rompu lors du séisme indien de Chamoli (1999). Nous avons utilisé des données de mouvement fort pour contraindre le développement de la rupture lors du séisme mexicain de Oaxaca (1999). Les données de mouvement fort ont été utilisées en association avec des données géodésiques pour remonter au développement temporel de la rupture lors du séisme de Landers et de la séquence sismique de Colfiorito. En ce qui concerne le séisme de Landers, la qualité et la complémentarité des données nous ont permis d'obtenir un véritable film du glissement. La rupture est hétérogène. On note la présence de zones où le glissement est plus important qu'ailleurs. Ces zones sont séparées par des régions qui correspondent aux zones de relais entre les segments de faille où le glissement est moindre et où la vitesse de rupture diminue.

Small earthquakes are not destructive but can be very helpful. This HDR thesis describes threw different research studies how small earthquakes can be used for (1) understanding seismic source of larger ones by an inversion using empirical Green's functions (2) imaging active faults using location and relative relocation methods (3) predict the ground motions generated by major earthquake with a new method described in details. Earthquakes of different magnitude (3 to 8) and from different regions of the world are studied (Mexico, French Indies, Italy, Greece, France).; Les petits séismes ne sont pas destructeurs, ils font peu parler d'eux, pourtant ils sont très utiles. Ce mémoire d'HDR décrit à travers plusieurs travaux de recherche comment les petits séismes peuvent être utilisés pour (1) comprendre la source des séismes plus importants par un processus d'inversion des fonctions de Green empiriques (2) imager les failles actives grâce à des méthodes de localisation et relocalisation relative (3) prédire les mouvements du sol engendrés par des séismes majeurs à partir d'une méthode de simulation originale décrite en détail. Les travaux portent sur des séismes de magnitude 3 à 8 dans différentes régions du monde (Mexique, Antilles, Italie, Grèce, France).

The Lesser Antilles is an area of high volcanic and earthquake activity, characterized by a 1000 km convergence zone resulting from the Atlantic plate subduction under the Caribbean plate with a slow convergent motion (2 cm/year). With five years of available data, the CDSA data base presents a more homogeneous vision of Lesser Antilles arc seismicity and allows detecting low seismic activity zones, in the north near the Virgin Islands, and in the south between St-Lucia and Grenada. The accuracy improvements of location is used to better study the relationship between tectonic structures and seismicity, to better define the subduction slab geometry, and to analyse the spatial variations of the Gutenberg-Richter law b-value. Concerning the 21 november 2004 Les Saintes earthquake, EMS98 intensities in Les Saintes islands were evaluated from an individual request and hypocenter relocalisations of the Les Saintes earthquake and the biggest aftershock of 14 february 2005 were made using a method of master/slave in order to contrain the seismic source of the mainchock. As seismic hazard assessment depends from strong ground motion generated by earthquakes, the last part of this work concerns modeling accelerometric records of the Les Saintes earthquakes, combining a composite source model with an empirical Green Function technique. In our study, we used Les Saintes aftershocks as Empirical Green Function.; L'arc des Petites Antilles situé sur la bordure nord-est de la plaque Caraïbe, résulte d'un phénomène de subduction, les plaques américaines plongeant sous celle de la Caraïbe avec une vitesse de 2 cm/an. Les Antilles Françaises représentent la région française où le risque sismique est le plus important. Ce travail dont l'objectif est d'améliorer la connaissance de l'aléa sismique dans les Antilles Françaises, repose sur les données du Réseau Accélérométrique Permanent (RAP) et sur celles du « Centre de Données des Antilles Françaises ». L'analyse de ces données permet de mieux contraindre la sismicité de l'arc. Deux zones de très faible sismicité sont mises en évidence : au nord près des Iles Vierges et au sud entre Sainte-Lucie et Grenade. D'autres points sont aussi résolus : imagerie de la subduction le long de l'arc, relations entre la sismicité superficielle et la tectonique active, variations de la pente (b-value) de la loi de Gutenberg-Richter. Le séisme majeur du 21 novembre 2004 Mw=6.3 est au cœur des deux derniers chapitres. Plusieurs aspects y sont présentés : macrosismicité avec l'évaluation d'intensités EMS98 obtenues du dépouillement de formulaires individuels recueillis pour les Iles des Saintes, et relocalisation par la méthode de maître/esclave du choc principal et de sa plus forte réplique du 14 février 2005, de façon à mieux contraindre l'imagerie de la source du choc principal, étape primordiale pour la dernière partie portant sur la modélisation des signaux du choc principal des Saintes. Nous tentons dans cette dernière partie de modéliser les enregistrements de mouvements forts avec une approche semi-empirique en se basant sur un modèle stochastique large-bande et proposons l'utilisation de plusieurs Fonctions de Green Empiriques (FGE) sélectionnées parmi les répliques du séisme des Saintes.

The Lesser Antilles is an area of high volcanic and earthquake activity, characterized by a 1000 km convergence zone resulting from the Atlantic plate subduction under the Caribbean plate with a slow convergent motion (2 cm/year). With five years of available data, the CDSA data base presents a more homogeneous vision of Lesser Antilles arc seismicity and allows detecting low seismic activity zones, in the north near the Virgin Islands, and in the south between St-Lucia and Grenada. The accuracy improvements of location is used to better study the relationship between tectonic structures and seismicity, to better define the subduction slab geometry, and to analyse the spatial variations of the Gutenberg-Richter law b-value. Concerning the 21 november 2004 Les Saintes earthquake, EMS98 intensities in Les Saintes islands were evaluated from an individual request and hypocenter relocalisations of the Les Saintes earthquake and the biggest aftershock of 14 february 2005 were made using a method of master/slave in order to contrain the seismic source of the mainchock. As seismic hazard assessment depends from strong ground motion generated by earthquakes, the last part of this work concerns modeling accelerometric records of the Les Saintes earthquakes, combining a composite source model with an empirical Green Function technique. In our study, we used Les Saintes aftershocks as Empirical Green Function.; L'arc des Petites Antilles situé sur la bordure nord-est de la plaque Caraïbe, résulte d'un phénomène de subduction, les plaques américaines plongeant sous celle de la Caraïbe avec une vitesse de 2 cm/an. Les Antilles Françaises représentent la région française où le risque sismique est le plus important. Ce travail dont l'objectif est d'améliorer la connaissance de l'aléa sismique dans les Antilles Françaises, repose sur les données du Réseau Accélérométrique Permanent (RAP) et sur celles du « Centre de Données des Antilles Françaises ». L'analyse de ces données permet de mieux contraindre la sismicité de l'arc. Deux zones de très faible sismicité sont mises en évidence : au nord près des Iles Vierges et au sud entre Sainte-Lucie et Grenade. D'autres points sont aussi résolus : imagerie de la subduction le long de l'arc, relations entre la sismicité superficielle et la tectonique active, variations de la pente (b-value) de la loi de Gutenberg-Richter. Le séisme majeur du 21 novembre 2004 Mw=6.3 est au cœur des deux derniers chapitres. Plusieurs aspects y sont présentés : macrosismicité avec l'évaluation d'intensités EMS98 obtenues du dépouillement de formulaires individuels recueillis pour les Iles des Saintes, et relocalisation par la méthode de maître/esclave du choc principal et de sa plus forte réplique du 14 février 2005, de façon à mieux contraindre l'imagerie de la source du choc principal, étape primordiale pour la dernière partie portant sur la modélisation des signaux du choc principal des Saintes. Nous tentons dans cette dernière partie de modéliser les enregistrements de mouvements forts avec une approche semi-empirique en se basant sur un modèle stochastique large-bande et proposons l'utilisation de plusieurs Fonctions de Green Empiriques (FGE) sélectionnées parmi les répliques du séisme des Saintes.

One of the major scientific problems in seismology is to estimate the ground motions expected at a given site from a future earthquake. The aim of this thesis is to test and validate two different methods of ground motions simulation based on the empirical Green’s function approach and to provide elements that can help to develop a blind simulation methodology. In a first part, a simulation method based on a stochastic point source approach is validated on the real data of recent earthquakes well instrumented : the Les Saintes earthquake Mw6.4 and the L’Aquila earthquake Mw6.3. We have developed a blind simulation approach by taking into account an uncertainty on the parameter of stress drop ratio C. This approach allows to generate a set of synthetic accelerograms of a target earthquake varied enough to be representative of a large number of possible source scenario and taking into account in a statistical sense potential directivity effects. This approach is also applied to the simulation of an historical Pyrenean earthquake Mw6.1. In a second part, we use a more complex extended source model, combining kinematic models of fractal composite sources with EGF approach. The potential of the method is tested on an application to L’Aquila earthquake. This has produced very satisfying results on all ground motion parameters analyzed. This simulation method appears to be very promising for the implementation of a blind simulation methodology, even if the main difficulty lies in the need to define the variability of many poorly known input parameters in the simulation of a future earthquake., L’une des problématique scientifique majeure en sismologie est de pouvoir estimer les mouvements du sol attendus en un site pour un futur séisme. L’objectif de cette thèse est de tester et de valider deux méthodes de simulation des mouvements du sol basées sur l’approche des fonctions de Green empiriques et d’apporter des éléments pouvant aider au développement d’une méthodologie de simulation en aveugle. Dans une première partie, une méthode de simulation basée sur une approche stochastique en point-source est validée sur les données réelles de séismes récents bien instrumentés : le séisme des Saintes Mw6.4 et le séisme de L’Aquila Mw6.3. Nous avons développé une approche de simulation en aveugle en prenant en compte une incertitude sur le paramètre de rapport des chutes de contrainte C. Cette approche permet de générer un ensemble d’accélérogrammes synthétiques d’un séisme cible suffisamment variés pour être représentatifs d’un grand nombre de scénarios de sources possibles et prenant en compte dans un sens statistique de potentiels effets de directivité. Cette approche a également été appliquée à la simulation d’un séisme historique pyrénéen Mw6.1. Dans une seconde partie, nous nous appuyons sur un modèle de source étendue plus complexe, combinant des modèles cinématiques de sources composites fractales avec l’approche des FGEs. Le potentiel de la méthode est testé sur une application au séisme de L’Aquila. Cela a permis de produire des résultats très satisfaisants sur l’ensemble des paramètres des mouvements du sol analysés. Cette méthode de simulation apparaît comme étant très prometteuse pour la mise en œuvre d’une méthodologie de simulation en aveugle, même si la principale difficulté réside dans la nécessité de définir la variabilité de nombreux paramètres d’entrée mal connus dans le cadre de la simulation d’un futur séisme.

The main objective of this thesis is to improve the knowledge of tsunami hazard in Western Mediterranean and Northern Atlantic. It focusses on earthquake-generated tsunamis which present the advantage to be preceded by a useful precursor for the warning, that can be felt by the population: the earthquake. Two types of studies are presented, using numerical modelling. It allows to built maximum wave height maps for each scenario, determine arrival times, inundation zones and study resonance phenomenon. The first studies concern the tsunami impact induced by seismic sources (rupture parameters) proposed by previous studies (the 1755 tsunami in the West Indies or in Newfoundland and the 2003 tsunami of Zemmouri in Southern France). The second studies concern the determination of rupture scenarios able to trigger tsunamis, with respect to the geology (seismicity, focal mechanisms, GPS measurements, surface fault ruptures, etc.) and the available maregraphic data (wave heights, arrival times, periods) and field surveys data (run-up distance and elevation, destructions). Concerning this last point, the studies considered the Jijel (1856), El Asnam (1980) and Dover Strait (1580) tsunamis. These studies have been done following historical documents and tsunami deposits search, using numerical modeling with a finite difference method for tsunami propagation calculations.; L'objectif principal de cette thèse est d'approfondir les connaissances en terme d'aléa tsunami en Méditerranée occidental et Atlantique nord. Elle se concentre sur des tsunamis d'origine sismique qui présentent l'avantage d'être précédés d'un précurseur utile pour déclencher l'alerte, car pouvant être ressenti par la population : le séisme. Deux types d'études sont présentés. Elles ont été effectuées sur la base de recherches de documents historiques et/ou de dépôts sédimentaires, en utilisant ensuite la modélisation numérique mettant en application une méthode de calcul de propagation de tsunami par différences finies. La modélisation permet de produire des cartes de hauteur de vagues maximum attendues pour chaque scénario, proposer des temps d'arrivée, des limites de zones d'inondation et l'étude des phénomènes de résonance. Les premières études concernent l'impact tsunami que peuvent avoir des sources sismiques paramètres de rupture) préalablement proposées par des études antérieures (le tsunami de 1755 aux Antilles, à Terre-Neuve et celui de Zemmouri de 2003 dans le sud de la France). Et les secondes correspondent à des études approfondies sur les sources, proposant des scénarios de rupture et donc de génération/propagation de tsunami calant au mieux les données observations d'ordre géologique (sismicité, mécanismes au foyer, données GPS, ruptures de surface, etc.) et les données marégraphiques disponibles (hauteur de vagues, temps d'arrivée, périodes) et observations de terrains (limites et hauteur d'inondation, dégâts). Sur ce point les études ont porté sur les tsunamis de Jijel (1856), El Asnam (1580) et du détroit de Douvres (1580).

The main objective of this thesis is to improve the knowledge of tsunami hazard in Western Mediterranean and Northern Atlantic. It focusses on earthquake-generated tsunamis which present the advantage to be preceded by a useful precursor for the warning, that can be felt by the population: the earthquake. Two types of studies are presented, using numerical modelling. It allows to built maximum wave height maps for each scenario, determine arrival times, inundation zones and study resonance phenomenon. The first studies concern the tsunami impact induced by seismic sources (rupture parameters) proposed by previous studies (the 1755 tsunami in the West Indies or in Newfoundland and the 2003 tsunami of Zemmouri in Southern France). The second studies concern the determination of rupture scenarios able to trigger tsunamis, with respect to the geology (seismicity, focal mechanisms, GPS measurements, surface fault ruptures, etc.) and the available maregraphic data (wave heights, arrival times, periods) and field surveys data (run-up distance and elevation, destructions). Concerning this last point, the studies considered the Jijel (1856), El Asnam (1980) and Dover Strait (1580) tsunamis. These studies have been done following historical documents and tsunami deposits search, using numerical modeling with a finite difference method for tsunami propagation calculations., L'objectif principal de cette thèse est d'approfondir les connaissances en terme d'aléa tsunami en Méditerranée occidental et Atlantique nord. Elle se concentre sur des tsunamis d'origine sismique qui présentent l'avantage d'être précédés d'un précurseur utile pour déclencher l'alerte, car pouvant être ressenti par la population : le séisme. Deux types d'études sont présentés. Elles ont été effectuées sur la base de recherches de documents historiques et/ou de dépôts sédimentaires, en utilisant ensuite la modélisation numérique mettant en application une méthode de calcul de propagation de tsunami par différences finies. La modélisation permet de produire des cartes de hauteur de vagues maximum attendues pour chaque scénario, proposer des temps d'arrivée, des limites de zones d'inondation et l'étude des phénomènes de résonance. Les premières études concernent l'impact tsunami que peuvent avoir des sources sismiques paramètres de rupture) préalablement proposées par des études antérieures (le tsunami de 1755 aux Antilles, à Terre-Neuve et celui de Zemmouri de 2003 dans le sud de la France). Et les secondes correspondent à des études approfondies sur les sources, proposant des scénarios de rupture et donc de génération/propagation de tsunami calant au mieux les données observations d'ordre géologique (sismicité, mécanismes au foyer, données GPS, ruptures de surface, etc.) et les données marégraphiques disponibles (hauteur de vagues, temps d'arrivée, périodes) et observations de terrains (limites et hauteur d'inondation, dégâts). Sur ce point les études ont porté sur les tsunamis de Jijel (1856), El Asnam (1580) et du détroit de Douvres (1580).

The two earthquakes, which we chose to study in this thesis, are all the two produced on hidden and ignored faults. We used all the data available to specify the localization and the geometry of the faults having played at the time of the two earthquakes. The Tottori earthquake occurred on a strike-slip fault, the slip is superficial but no clear trace was observed on the surface. All the inversed models show a slip at the top of the fault thus contradicting the observations on the surface. We tested several models buried (compatible with the observations on the surface) at various depths. The results show that when the slip is authorized to occur close to surface, the agreement with the data is appreciably improved. These tests confirm that the slip occurred near to surface. The projection of the aftershocks on the fault plane shows that the distribution of the slip on the fault is controlled by a variation of the properties of the fault with the depth. The rupture during this earthquake seems to stop when meeting a perpendicular segment of fault. The same phenomenon (stopped rupture) is observed during the earthquake of Boumerdes. The localization of the fault of this event is possible due to GPS data. The position of fault suggested in this study, explains the observations well. The distribution of the slip on the fault after a two-step inversion shows that the rupture is bilateral with two zones of large slip. The calculation of the Coulomb stress variations shows a loading of the NW part of the Thénia fault, which is supposed to play a role in the stop of the rupture., Les deux séismes que nous avons choisis d'étudier se sont tous les deux produits sur des failles cachées et ignorées. Nous avons utilisé toutes les données disponibles pour préciser la localisation et la géométrie des failles ayant joué lors des deux séismes. Le séisme de Tottori s'est produit sur une faille en décrochement, le glissement est superficiel mais aucune trace claire n'a été observée en surface. Tous les modèles inversés montrent un glissement au sommet de la faille contredisant ainsi les observations en surface. Nous avons testé plusieurs modèles enterrés (compatibles avec les observations en surface) à différentes profondeurs. Les résultats montrent que lorsque le glissement est autorisé à se produire près de la surface, l'accord aux données est sensiblement amélioré. Ces tests confirment que le glissement s'est produit proche de la surface. La projection des répliques sur le plan de faille montre que la distribution du glissement sur la faille est contrôlée par une variation des propriétés de le faille avec la profondeur. La rupture lors de ce séisme semble s'arrêter à l'intersection avec un segment de faille perpendiculaire. Le même phénomène est observé pendant le séisme de Boumerdes. La localisation précise de la faille lors de cet événement est possible grâce aux données GPS. La position de faille proposée explique bien les observations. La distribution du glissement sur la faille après inversion en deux étapes, montre que la rupture est bilatérale avec deux zones de large glissement. Le calcul de la variation de contraintes de Coulomb, montre un chargement de la partie NW de la faille de Thénia, supposée jouer un rôle dans l'arrêt de la rupture.

Simulating strong ground motions produced by an earthquake is an important step to evaluate the seismic hazard of a region. The aim of this study is to provide an efficient tool for strong ground motions simulation.To avoid the problem of unknown subsoil medium, we use the empirical Green's function technique. The ground motions are then obtained by summing the recordings of small earthquakes delayed between each other so as to reproduce the rupture propagation effects. The main problem of this study is to establish an appropriate summation scheme, which is able to generate realistic accelerograms in the time domain, and in agreement with scaling relationships (similarity relation and w-2 model) in the frequency domain.Using statistical methods, we avoid the main problems encounteredclassically in this kind of study. Finally, we establish two new methods of simulations: a purely stochastic method which requires the specification of only two parameters for the target event (seismic moment and stress drop) and a stochasto-kinematic method which is able to reproduce some of the kinematic rupture properties over the fault plane.These two methods are successfully tested on observed data (Mexico and Italy). Then, the stochastic method is applied to simulate the ground motion which could be produced by two moderate sized earthquakes in the French Riviera: a magnitude 5.7 onshore earthquake (10 km to the north of Nice) and a magnitude 6.3 offshore earthquake (25 km to the south of Nice). These simulations point out three important points: (1) the strong amplification effects in some sites in Nice, (2) the importance of the ground motion potentially produced by a magnitude 5.7 onshore earthquake and (3) the major role played by the stress drop value of the potential earthquake.; Simuler les mouvements du sol produits par un séisme est une étape essentielle pour évaluer l'aléa sismique d'une région. L'objectif de cette étude est de fournir un code simple d'utilisation permettant de simuler de manière efficace les mouvements du sol. Pour s'affranchir de la connaissance du milieu de propagation, nous utilisons la technique des fonctions de Green empiriques. Les mouvements du sol sont alors reconstruits par la sommation des enregistrements de plusieurs petits séismes décalés dans le temps de manière à reconstituer le processus de rupture du gros séisme. La principale problématique de cette étude est la mise en place d'un schéma de sommation efficace permettant de générer des accélérogrammes réalistes dans le domaine temporel et en bon accord avec les lois d'échelles (loi de similitude et modèle en w-2) dans le domaine fréquentiel.Grâce à l'intégration de méthodes statistiques, nous évitons les problèmes majeurs rencontrés classiquement dans ce type d'étude. Nous aboutissons finalement à deux nouvelles méthodes de simulations: une méthode purement stochastique nécessitant la connaissance de seulement deux paramètres concernant le séisme cible (moment sismique et chute de contrainte) et une méthode stochasto-cinématique permettant de reproduire certaines propriétés cinématiques de la rupture sismique sur le plan de faille.Ces deux méthodes sont testées avec succès sur des données réelles (Mexique et Italie). La méthode stochastique est ensuite appliquée pour simuler les mouvements du sol susceptibles d'être produits par deux séismes de magnitude modérée dans la région niçoise: un séisme de magnitude 5.7 à terre (10 km au nord de Nice) et un séisme de magnitude 6.3 en mer (25 km au sud de Nice). Ces simulations mettent en évidence trois points importants: (1) les forts effets d'amplifications sur certains sites à Nice, (2) l'importance des mouvements du sol susceptibles d'être produits par un séisme de magnitude 5.7 à terre et (3) le rôle majeur joué par la valeur de la chute de contrainte du séisme potentiel.

Simulating strong ground motions produced by an earthquake is an important step to evaluate the seismic hazard of a region. The aim of this study is to provide an efficient tool for strong ground motions simulation. . To avoid the problem of unknown subsoil medium, we use the empirical Green's function technique. The ground motions are then obtained by summing the recordings of small earthquakes delayed between each other so as to reproduce the rupture propagation effects. The main problem of this study is to establish an appropriate summation scheme, which is able to generate realistic accelerograms in the time domain, and in agreement with scaling relationships (similarity relation and w~2 model) in the frequency domain. Using statistical methods, we avoid the main problems encountered classically in this kind of study. Finally, we establish two new methods of simulations : a purely stochastic method which requires the specification of only two parameters for the target event (seismic moment and stress drop) and a stochasto-kinematic method which is able to reproduce some of the kinematic rupture properties over the fault plane. These two methods are successfully tested on observed data (Mexico and Italy). Then, the stochastic method is applied to simulate the ground motion which could be produced by two moderate sized earthquakes in the French Riviera: a magnitude 5.7 onshore earthquake (10 km to the north of Nice) and a magnitude 6,3 offshore earthquake (25 km to the south of Nice). These simulations point out three important points: (1) the strong amplification effects in some sites in Nice, (2) the importance of the ground motion potentially produced by a magnitude 5.7 onsho re earthquake and (3) the major role played by the stress drop value of the potential earthquake.; Simuler les mouvements du sol produits par un séisme est une étape essentielle pour évaluer l'aléa sismique d'une région. L'objectif de cette étude est de fournir un code simple d'utilisation permettant de simuler de manière efficace les mouvements du sol. Pour s'affranchir de la connaissance du milieu de propagation, nous utilisons la technique des fonctions de Green empiriques. Les mouvements du sol sont alors reconstruits par la sommation des enregistrements de plusieurs petits séismes décalés dans le temps de manière à reconstituer le processus de rupture du gros séisme, La principale problématique de cette étude est la mise en place d'un schéma de sommation efficace permettant de générer des accélérogrammes réalistes dans le domaine temporel et en bon accord avec les lois d'échelles (loi de similitude et modèle en w~2) dans le domaine fréquentiel. Grâce à l'intégration de méthodes statistiques, nous évitons les problèmes majeurs rencontrés classiquement dans ce type d'étude. Nous aboutissons finalement à deux nouvelles méthodes de simulations: une méthode purement stochastique nécessitant la connaissance de seulement deux paramètres concernant le séisme cible (moment sismique et chute de contrainte) et une méthode stochasto-cinématique permettant de reproduire certaines propriétés cinématiques de la rupture sismique sur le plan de faille. Ces deux méthodes sont testées avec succès sur des données réelles (Mexique et Italie). La méthode stochastique est ensuite appliquée pour simuler les mouvements du sol susceptibles d'être produits par deux-séismes de magnitude modérée dans la région niçoise: un séisme de magnitude 5.7 à terre (10 km au nord de Nice) et un séisme de magnitude 6.3 en mer (25 km au sud de Nice). Ces simulations mettent en évidence trois points importants: (1) les forts effets d'amplifications sur certains sites à Nice, (2) l'importance des mouvements du sol susceptibles d'être produits par un séisme de magnitude 5.7 à terre et (3) le rôle majeur joué par la valeur de la chute de contrainte du séisme potentiel.

Mongolia characterize the transition between compressive structures associated with India-Asia collision and extensive structures from Baykal rift. It suffered, since 1905, four earthquakes with magnitude larger then 8, (Tsetserleg, Bolnay, Fu Yun and Gobi-Altay). Ruptures associated with those earthquakes draw up a parallelogram composed by senestral strike slip faults on an east-west direction and dextral strike slip faults on NNW-SSE direction. Inside this parallelogram, the Hangay dome is associated with normal faults and recent alkaline volcanism. The source history of these two 1905 earthquakes shows a predominating propagation of the rupture to the east. The Tsetserleg earthquake ruptures (Mw = 7,95 ± 0,02.) may continue beyond the mapped ruptures. The nucleation of Bolnay earthquake (Mw = 8,4 ± 0,1) took place at the intersection between the main fault and the Teregtiin fault. Ruptures associated with the Gobi-Altay earthquake are complexes and run along the Ikhe Bogdo massif which rotate counterclockwise (24° ± 11° ) since the Miocene. Time recurrence on this fault is around 5000 years with a rate of around 1 mm/year. The displacement on the Altay and Gobi-Altay conjugates strike slip faults is absorbed on reverse faults, the whole creating compressive wedge. The Hangay dome results from the combination between a mantel up welling and the compressive front associated with India-Asia collision. The Hangay dome rotate clockwise. The sismicity characterize late aftershocks associated with recent earthquakes. These aftershocks are numerous on segments with vertical slip and few on strike slip segments. A compression oriented N20 ± 10° can explain all deformations indicating the actual preponderance of the compressive front associated to India-Asia collision, preceded by a mantel episode which prepared the region. We propose a model of pure deformation combined with a clockwise rotation in Mongolia., La Mongolie caractérise la transition entre les structures compressives liées à la collision Inde-Asie et extensives du rift du Baïkal. Elle a connu depuis 1905 quatre séismes de magnitude supérieure ou égale à 8, (Tsetserleg, Bolnaï, Fu Yun et Gobi-Altaï). Les ruptures associées à ces événements forment un parallélogramme composé par des failles décrochantes sénestres est-ouest et décrochantes dextres NNO-SSE. Au centre, le dôme du Hangaï est associé à des failles normales et à un volcanisme alcalin récent. L'étude de la source des deux séismes de 1905 indique une propagation dominante des ruptures vers l'est. Le séisme de Tsetserleg (Mw = 7,95 ± 0,02.) aurait continué au-delà des ruptures cartographiées. L'initiation du séisme de Bolnaï (Mw = 8,4 ± 0,1) s'est faite à l'intersection entre la faille principale et celle de Teregtiin. Les ruptures associées au séisme du Gobi-Altaï sont complexes et bordent le massif de Ikhe Bogdo qui subit une rotation antihoraire (24° ± 11° ) depuis le Miocène. L'intervalle de récurrence sur cette faille est d'environ 5000 ans avec une vitesse d'environ 1 mm/an. Le mouvement sur les failles décrochantes conjuguées de l'Altaï et du Gobi-Altaï est amorti sur des failles inverses, l'ensemble formant des coins en compression. La formation du dôme du Hangaï est le résultat d'une combinaison entre un panache mantélique et du front compressif lié à la collision Inde-Asie. Le massif subit une rotation horaire. La sismicité correspond à des répliques tardives des séismes récents plus nombreuses sur les segments à rejet vertical que décrochants. Une compression orientée N20 ± 10° permet d'expliquer toutes les déformations indiquant la prépondérance actuelle du front compressif associé à la collision Inde-Asie, précédée d'un épisode mantélique qui a préparé la région. Nous proposons un modèle de déformation pure combinée avec une rotation horaire pour la Mongolie.

Unrapport de thèse + une carte AO; Mongolia characterize the transition between compressive structures associated with India-Asia collision and extensive structures from Baykal rift. It suffered, since 1905, four earthquakes with magnitude larger then 8, (Tsetserleg, Bolnay, Fu Yun and Gobi-Altay). Ruptures associated with those earthquakes draw up a parallelogram composed by senestral strike slip faults on an east-west direction and dextral strike slip faults on NNW-SSE direction. Inside this parallelogram, the Hangay dome is associated with normal faults and recent alkaline volcanism. The source history of these two 1905 earthquakes shows a predominating propagation of the rupture to the east. The Tsetserleg earthquake ruptures (Mw = 7,95 ± 0,02.) may continue beyond the mapped ruptures. The nucleation of Bolnay earthquake (Mw = 8,4 ± 0,1) took place at the intersection between the main fault and the Teregtiin fault. Ruptures associated with the Gobi-Altay earthquake are complexes and run along the Ikhe Bogdo massif which rotate counterclockwise (24° ± 11° ) since the Miocene. Time recurrence on this fault is around 5000 years with a rate of around 1 mm/year. The displacement on the Altay and Gobi-Altay conjugates strike slip faults is absorbed on reverse faults, the whole creating compressive wedge. The Hangay dome results from the combination between a mantel up welling and the compressive front associated with India-Asia collision. The Hangay dome rotate clockwise. The sismicity characterize late aftershocks associated with recent earthquakes. These aftershocks are numerous on segments with vertical slip and few on strike slip segments. A compression oriented N20 ± 10° can explain all deformations indicating the actual preponderance of the compressive front associated to India-Asia collision, preceded by a mantel episode which prepared the region. We propose a model of pure deformation combined with a clockwise rotation in Mongolia.; La Mongolie caractérise la transition entre les structures compressives liées à la collision Inde-Asie et extensives du rift du Baïkal. Elle a connu depuis 1905 quatre séismes de magnitude supérieure ou égale à 8, (Tsetserleg, Bolnaï, Fu Yun et Gobi-Altaï). Les ruptures associées à ces événements forment un parallélogramme composé par des failles décrochantes sénestres est-ouest et décrochantes dextres NNO-SSE. Au centre, le dôme du Hangaï est associé à des failles normales et à un volcanisme alcalin récent. L'étude de la source des deux séismes de 1905 indique une propagation dominante des ruptures vers l'est. Le séisme de Tsetserleg (Mw = 7,95 ± 0,02.) aurait continué au-delà des ruptures cartographiées. L'initiation du séisme de Bolnaï (Mw = 8,4 ± 0,1) s'est faite à l'intersection entre la faille principale et celle de Teregtiin. Les ruptures associées au séisme du Gobi-Altaï sont complexes et bordent le massif de Ikhe Bogdo qui subit une rotation antihoraire (24° ± 11° ) depuis le Miocène. L'intervalle de récurrence sur cette faille est d'environ 5000 ans avec une vitesse d'environ 1 mm/an. Le mouvement sur les failles décrochantes conjuguées de l'Altaï et du Gobi-Altaï est amorti sur des failles inverses, l'ensemble formant des coins en compression. La formation du dôme du Hangaï est le résultat d'une combinaison entre un panache mantélique et du front compressif lié à la collision Inde-Asie. Le massif subit une rotation horaire. La sismicité correspond à des répliques tardives des séismes récents plus nombreuses sur les segments à rejet vertical que décrochants. Une compression orientée N20 ± 10° permet d'expliquer toutes les déformations indiquant la prépondérance actuelle du front compressif associé à la collision Inde-Asie, précédée d'un épisode mantélique qui a préparé la région. Nous proposons un modèle de déformation pure combinée avec une rotation horaire pour la Mongolie.

Over the past four decades, the decline in the extent and thickness of Arctic sea ice has accelerated dramatically due to global warming. The rate of this decline is much faster than predicted by existing climate models. The evolution of the decline in the extent and average thickness of sea ice is subject to thermodynamic processes that are affected by important parameters, such as the mechanical properties and thickness of the ice. Although the physical processes explaining this decline are understood, sea ice and climate models do not clearly reproduce the observed variations. Therefore, continuous and accurate monitoring of these parameters is essential given the need to update our climate models.The use of seismic methods to study sea ice has long been neglected despite their potential for very accurate estimates of ice properties. However, thanks to rapid technological and methodological advances in the last decade, these approaches have recently been reconsidered.Part of this thesis aims to prove the concept of a methodology based on the measurement of guided seismic waves in ice to estimate its Young's modulus, Poisson's ratio, density and thickness in different directions using ambient seismic noise recorded by a dense array of sensors. To illustrate the potential of this method, we present the exploitation of continuous seismic data recorded by an autonomous array of 247 geophones deployed between March 1 and 24, 2019, on the fast ice of Lake Vallunden, Van Mijen Fjord, Norwegian Svalbard Archipelago.The method consists of extracting a noise correlation function and then inverting the dispersion curves of guided modes propagating in the sea ice. To calculate the daily noise correlation function, we show that selecting time windows where the dominant seismic source is aligned with the receivers significantly improves the signal-to-noise ratio. The dispersion curves of the three fundamental guided modes are inverted with MCMC sampling to derive the probability density function of the sea ice parameters. We obtain satisfactory results that are consistent with observations and measurements made in situ. Thus, we demon- strate that by using this method, it is possible to constrain the thickness, density, and elastic properties of sea ice both precisely and on a daily basis.Secondly, we have exploited particular events contained in the recorded seismic noise: icequakes. These are sudden, impulsive releases of energy from various ice mechanisms such as fracturing. There are more than a hundred of them per day in our records. They have the advantage of being isotropic around our seismic array. To isolate these specific signals from the continuous noise records, a waveform sorting method based on a deep scattering network was used. A careful manual selection of the time windows associated with the icequakes was then performed. We then performed the first steps prior to a tomographic inversion by measuring the time shifts in the arrival velocity of the wavefield within our array. We discuss the prospects of this work, which paves the way for imaging from the wavefield emitted by icequakes.; Durant ces quatre dernières décennies, le déclin de l’extension et l’épaisseur moyenne de la glace de mer Arctique s’est accéléré de manière spectaculaire face au réchauffement climatique. Ce déclin est beaucoup plus rapide que celui prédit par les modèles de climat existant. L’évolution de l’étendue de la glace de mer est soumise à des processus thermodynamiques qui sont affectés par des paramètres importants évoluant à un rythme accéléré, tels que les propriétés mécaniques et l’épaisseur de la glace. Bien que les processus physiques expliquant ce déclin soient compris, les modèles actuels de banquise et climatiques ne reproduisent pas clairement les variations observées. Par conséquent, une surveillance continue et précise de ces paramètres est essentielle compte tenu de la nécessité de mettre à jour nos modèles climatiques. L’utilisation de méthodes sismiques pour étudier la glace de mer a longtemps été délaissée malgré leur potentiel pour des estimations très précises des propriétés de la glace. Toutefois, grâce aux rapides progrès technologiques et méthodologiques de la dernière décennie, ces approches ont été récemment reconsidérées.Une partie de cette thèse vise à prouver l’efficacité d’une méthodologie basée sur la mesure des ondes sismiques guidées dans la glace pour estimer son module d’Young, son coefficient de Poisson, sa densité et son épaisseur dans différentes directions en utilisant le bruit sismique ambiant enregistré par un réseau dense de capteurs. Pour illustrer le potentiel de cette méthode, nous présentons l’exploitation des données sismiques continues enregistrées par un réseau autonome de 247 géophones déployés entre le 1er et le 24 mars 2019, sur la banquise côtière du lac Vallunden, dans le fjord de Van Mijen, dans l’archipel norvégien de Svalbard. La méthode consiste à extraire une fonction de corrélation de bruit puis à inverser les courbes de dispersion des modes guidés se propageant dans la glace de mer. Pour calculer la fonction de corrélation de bruit quotidienne, nous montrons que la sélection des fenêtres de temps où la source sismique dominante est alignée avec les récepteurs améliore significativement le rapport signal/bruit. Les courbes de dispersion des trois modes guidés fondamentaux sont inversées avec un échantillonnage de type Monte Carlo par chaînes de Markov pour déduire la fonction de densité de probabilité des paramètres de la glace de mer. Nous obtenons des résultats cohérents avec les observations et les mesures effectuées in situ. Ainsi, nous démontrons qu’en utilisant cette méthode, il est possible d’estimer l’épaisseur, la densité et les propriétés élastiques de la glace de mer avec précision et sur une base quotidienne.Ensuite, nous avons exploité des évènements particuliers contenus dans le bruit sismique enregistré : les tremblements de glace - icequakes en anglais. Il s’agit de libérations soudaines et impulsives d’énergie issues de divers mécanismes propres à la glace tels que la fracturation. On en compte plus d’une centaine par jour dans nos enregistrements. Ils ont l’avantage d’être isotropes autour de notre réseau sismique. Pour isoler ces signaux spécifiques des enregistrements continus debruit, une méthode de hiérarchisation des formes d’ondes basée sur un réseau de diffusion profond a été utilisée. Nous avons ensuité sélectionné manuellement et minutieusement les fenêtres temporelles associées aux icequakes. Finalement, les premières étapes antérieures à une inversion tomographique ont été réalisées en mesurant les décalages temporels d’arrivée du champ d’ondes au sein de notre réseau. Nous discutons des perspectives de ce travail qui ouvre la voie à l’imagerie à partir du champ d’ondes émis par les icequakes.

For more than 2 decades, recording of hydroacoustic signals in the sopen channel (Sound Fixing And Ranging) has allowed the detection and localization of many low-magnitude earthquakes in the ocean. However the interpretation of these signals is still incomplete.The generation of acoustic waves, known as T-waves, resulting from the conversion of seismic waves into acoustic waves at the sea-bottom, and their propagation in the water column are not yet fully understood, which prevents to extract more information about the earthquakes they originate from. Here, we use numerical modelling to identify and understand the main environmental parameters and phenomena that control the generation and propagation of acoustic T-waves in the ocean. The proposed approach is a spectral element method, implemented in the code SPECFEM2D, which allows to address the problem in a comprehensive way taking into account the solid/fluid coupling (seismic propagation, conversion, acoustic propagation), velocity profiles of the waves in the crust and the ocean, and the moment tensor of the earthquake that defines the radiation pattern of the seismic source. Simulated acoustic signals present many similarities in the shape, duration, arrival times and amplitudes of the predicted T-waves with observed T-waves. Differences are likely due to the 2D representation of the problem and to the simplistic representation of the environment and of the seismic source.; Depuis plus de deux décennies, I'enregistrement des signaux hydroacoustiques par des hydrophones dans le canal SOFAR (SOund Fixing And Ranging) a permis la détection et la localisation de nombreux séismes de faible magnitude dans I'océan. Cependant, I'interprétation de ces signaux est actuellement incomplète. La complexité de la conversion des ondes sismiques en ondes acoustiques, appelées « ondes T », au niveau du plancher océanique, et de leur propagation dans la tranche d'eau n'est pas intégralement comprise et ne permet pas d'extraire beaucoup d'informations sur les séismes à leur origine. Une simulation numérique de ces signaux est proposée pour identifier et comprendre les paramètres environnementaux et les phénomènes majeurs entrant en jeu dans la génération des ondes T. L'approche proposée est la méthode des éléments spectraux, mise en œuvre dans le code SPECFEM2D. Cette approche s'avère adaptée à cet usage car elle permet d'aborder le phénomène de la génération et la propagation des ondes T dans son ensemble en tenant compte ses principales caractéristiques : le couplage fluide/solide (propagation sismique, conversion, et propagation acoustique), les profils de vitesse d'onde dans I'eau et dans la croute, et le tenseur des moments sismiques donnant le diagramme de radiation de la source. Les signaux simulés présentent des formes, des durées, des temps d'arrivée, et des amplitudes relatives tout à fait comparables aux enregistrements réels. Les différences observées proviennent sans doute du traitement 2D du problème et d'une représentation trop simpliste des environnements et de la source sismique.

High Resolution marine seismic is a common tool to indirectly study the fine scale structures of the sub-seabed and its related geohazards. In water depths, ranging from the continental slope to deep oceanic basin, high resolution seismic imaging cannot be achieved with conventional near-surface system due to a number of shortcomings. Since the 90s, the acquisition strategy has therefore striven for lowering both seismic sources and receivers close to the seafloor. Ifremer has recently developed a deep-towed seismic system (SYSIF), based on piezoelectric transducer technology and dedicated to the study of superficial sediments up to 6000 m water depth. Our objective is to achieve seismic imaging and seismic characterization at small scales consistent with the accuracy of in situ geotechnical measurements. We aim at improving the seismic resolution of the deep-towed seismic data and proposing quantitative methods for the characterization of the sediments properties. The processing sequence of SYSIF data was first optimized by introducing the source signature deconvolution. We improve the vertical resolution by a factor 2 and reach 1 m and .5 m resolution for the frequency ranges [220-1050 Hz] and [580-2200 Hz] respectively. In order to improve the lateral resolution, we assess the multioffset seismic imaging by setting up an experience based on the SYSIF source [220- 1050 Hz] and Ocean Bottom Hydrophones (OBHs). Such an acquisition requires precise positioning (which is achieved through acoustic relocation of sources and receivers) and the development of velocity analysis, processing and imaging methods suited to the acquisition geometry. We present a first application of this approach, performed during the ERIG3D cruise on a buried Mass transport Complex offshore Nigeria. The final seismic imaging has a 2.5 m lateral resolution and demonstrates the feasibility of a high resolution depth imaging in deep-sea based on deep-towed seismic source. The former results allowed the development of a multichannel high resolution streamer to be started by Ifremer To further improve the vertical resolution and to characterize the small scales structures of reflectors, we develop a multiscale analysis of deep-towed seismic data. This analysis relies on the wavelet response closely related to the continuous wavelet transform. The application of the wavelet response to broadband seismic data suffers from distortions generated by the bandpass filter effect of the seismic source. Two approaches have been proposed to account for these distortions. A first empirical approach is based on the wavelet transform of the seismic source. The second approach takes advantages of the properties of Lévy alpha-stable functions to obtain a family of effective dilated wavelets that enables the direct analysis of the medium’s Green functions. For the application on SYSIF data, gaussian derivatives are used which enable to merge information provided by both SYSIF sources (High and Very High Resolution) to obtain a wavelet response in the frequency range [220-2200 Hz]. We introduce new seismic attributes related to the wavelet response. These attributes are ridge functions of the wavelet response which constitute a sparse support of the multiscale information. Ridge function is an effective tool to characterize seismic reflector’s complexity and allow the determination of their characteristic size (in the range [24-115 cm] for SYSIF sources). Theoretical developments related to these new seismic attributes are applied on a case study associating seismic and ground truth data which enables to demonstrate the potential of the approach. Finally, we explore both the optimization of the source processing based on the fractional derivatives of the most adapted Lévy alpha-stable function and the acoustic impedance determination based on the inverse continuous wavelet transform. Thus, a first application of the inverse transform of the wavelet response related to SYSIF data provides an impedance profile with a vertical resolution of 25 cm., La sismique haute résolution (200-2000 Hz) est un outil indispensable pour l’étude du sous-sol marin et des risques géologiques associés. Par grande profondeur d’eau, les dispositifs d’acquisition de surface ne sont pas adaptés et depuis les années 90, la stratégie d’acquisition est de placer le dispositif sismique près du fond. Ifremer a ainsi récemment développé un système sismique près du fond (SYSIF) utilisant des sources sismiques de type transducteurs piézoélectriques opérables jusqu’à 6000 m. Afin de permettre la confrontation entre les profils sismiques SYSIF et les mesures géotechniques in situ, notre travail vise à améliorer la résolution sismique et à proposer des méthodes de caractérisation quantitative des propriétés des sédiments marins. Dans l’objectif d’améliorer le potentiel des données monotraces acquises par SYSIF, la séquence de traitement est optimisée en introduisant la déconvolution de signature. Le gain en résolution verticale est supérieur à 2 et des résolutions de 1 m et 0.5 m sont atteintes pour les deux sources mises en oeuvre par SYSIF dans les gammes de fréquence [220-1050 Hz] et [580-2200 Hz]. Pour accéder à une imagerie multidéport et améliorer la résolution latérale, une expérience exploitant la source [220-1050 Hz] et des hydrophones de fond de mer a été réalisée dans le cadre de l’étude d’un glissement enfoui au large du Nigéria. Ce type d’acquisition nécesite un positionnement précis et requiert d’élaborer des méthodes d’analyse de vitesse de propagation et d’imagerie propres à cette géométrie d’acquisition. L’imagerie sismique obtenue possède une résolution latérale de l’ordre de 2.5 m et démontre la faisabilité d’une imagerie multidéport HR par grande profondeur d’eau utilisant la source SYSIF. Dans le but d’accroître la résolution verticale et de caractériser les structures fines des réflecteurs, une analyse multiéchelle des données SYSIF est entreprise dans un second temps. Cette analyse repose sur le concept de la réponse en ondelettes étroitement associée à la transformée en ondelettes. La réponse en ondelettes issue des données sismiques acquises par SYSIF est altérée par des distorsions induites par la source sismique. Deux méthodes de correction de ces distorsions sont développées. Une première, empirique, s’appuie sur la transformée en ondelettes de la source sismique. La seconde exploite les propriétés des fonctions Lévy-alpha stables pour obtenir une famille d’ondelettes effectives dilatées capable d’analyser directement la fonction de Green du milieu. Cette dernière approche est similaire à celle utilisée dans l’analyse multiéchelle des champs de potentiel reposant sur le semi-groupe de Poisson. Dans le cadre des données sismiques de SYSIF, des dérivées de gaussienne sont utilisées et permettent de fusionner les informations provenant des deux sources afin d’obtenir une réponse en ondelettes dans la gamme [220-2200 Hz]. L’exploitation de la réponse en ondelettes aboutit à l’introduction de nouveaux attributs sismiques qualifiés de multiéchelles. Ces attributs sont les lignes d’extrema de la réponse en ondelettes qui constituent un support compact de l’information multiéchelle et qui permettent de caractériser la complexité des réflecteurs sismiques ainsi que leur taille caractéristique quand elle existe (entre [24 − 115 cm] pour les sources SYSIF). Les développements théoriques associés à ces nouveaux attributs sont illustrés par une étude de cas associant mesures sismiques et mesures in situ démontrant la validité et le potentiel de cette approche. Des axes de recherche portant sur l’optimisation du traitement de la source à l’aide des dérivées non-entières ou encore la détermination de l’impédance acoustique par transformée en ondelettes inverse sont explorés. Ainsi, une première application de la transformée inverse de la réponse en ondelettes associée aux données SYSIF permet de reconstruire un profil d’impédance avec une résolution de 25 cm.

The explosion in the amount and variety of available geodetic, tsunami, and seismological observations offers an outstanding opportunity to develop new seismic source models. But these data are sensitive to different sources of uncertainty and provide heterogeneous information, which makes the solution of the inverse problem non-unique.In this thesis, we use a Bayesian sampling method to propose new slip models, which benefit from an objective weighting of the various datasets by combining observational and modelling errors. These models are less affected by data overfit and allow a realistic assessment of posterior uncertainties. We apply this method to the study of slip processes occurring in three different tectonic contexts: the Landers earthquake (1992, Mw=7.3), the Ecuador-Colombia subduction zone which hosted the Pedernales earthquake (2016, Mw=7.8), and the intraslab Tehuantepec earthquake (2017, Mw=8.2). Through these analyses, we demonstrate how the study of the seismic cycle can benefit from rigorous uncertainty estimates and Bayesian sampling.; L’explosion du nombre et de la variété des données géodésiques, sismologiques et tsunami disponibles est une opportunité exceptionnelle pour produire de nouveaux modèles de la source sismique. Mais ces données n’apportent pas toutes la même information et sont soumises à différentes sources d’incertitudes, rendant la solution au problème inverse non-unique. Dans cette thèse, nous utilisons une méthode d’échantillonnage bayésien pour produire de nouveaux modèles de glissement moins assujettis au sur-ajustement des données et permettant une estimation réaliste de l’incertitude associée aux paramètres estimés. Nous l’appliquons à l’étude du glissement dans trois contextes tectoniques différents : le séisme de Landers (1992, Mw=7.3), la zone de subduction équato-colombienne où s’est produit le séisme de Pedernales (2016, Mw=7.8), et le séisme intra-plaque de Tehuantepec (2017, Mw=8.2). À travers ce travail, nous démontrons l’importance de la considération rigoureuse des incertitudes et les atouts de l’approche bayésienne pour l’étude des différentes phases du cycle sismique.

The explosion in the amount and variety of available geodetic, tsunami, and seismological observations offers an outstanding opportunity to develop new seismic source models. But these data are sensitive to different sources of uncertainty and provide heterogeneous information, which makes the solution of the inverse problem non-unique.In this thesis, we use a Bayesian sampling method to propose new slip models, which benefit from an objective weighting of the various datasets by combining observational and modelling errors. These models are less affected by data overfit and allow a realistic assessment of posterior uncertainties. We apply this method to the study of slip processes occurring in three different tectonic contexts: the Landers earthquake (1992, Mw=7.3), the Ecuador-Colombia subduction zone which hosted the Pedernales earthquake (2016, Mw=7.8), and the intraslab Tehuantepec earthquake (2017, Mw=8.2). Through these analyses, we demonstrate how the study of the seismic cycle can benefit from rigorous uncertainty estimates and Bayesian sampling., L’explosion du nombre et de la variété des données géodésiques, sismologiques et tsunami disponibles est une opportunité exceptionnelle pour produire de nouveaux modèles de la source sismique. Mais ces données n’apportent pas toutes la même information et sont soumises à différentes sources d’incertitudes, rendant la solution au problème inverse non-unique. Dans cette thèse, nous utilisons une méthode d’échantillonnage bayésien pour produire de nouveaux modèles de glissement moins assujettis au sur-ajustement des données et permettant une estimation réaliste de l’incertitude associée aux paramètres estimés. Nous l’appliquons à l’étude du glissement dans trois contextes tectoniques différents : le séisme de Landers (1992, Mw=7.3), la zone de subduction équato-colombienne où s’est produit le séisme de Pedernales (2016, Mw=7.8), et le séisme intra-plaque de Tehuantepec (2017, Mw=8.2). À travers ce travail, nous démontrons l’importance de la considération rigoureuse des incertitudes et les atouts de l’approche bayésienne pour l’étude des différentes phases du cycle sismique.

Site effects can greatly increase both the duration and the amplitude of the seismic solicitation imposed on structures. 2D-3D site effects induce broadband amplifications that cannot be simulated up to high frequency (>2-4 Hz) due to the limited resolution of the geological, geophysical and/or geotechnical information. Empirical site effect assessment is therefore essential for reliable observations of this complex phenomenon up to high frequency. However, such assessments often require good quality records from many earthquakes that cannot be rapidly obtained in low seismicity areas.This work presents a comparative analysis of these empirical evaluations on two very different sites, the first in a moderate seismicity context (Provence, France) and the second in a very active context (Kefalonia, Greece). For the Provençal site, nearly 500 earthquakes were recorded in only 2½ years thanks to the use of velocimeters. The site attenuation parameter κ_0 could thus be measured both on the acceleration (κ_(0_AS)) and displacement (κ_(0_DS)) spectra. Our results show that the measurement of κ_0 is relatively reliable on rock sites only, mainly due to the too great disturbance by the amplification for sedimentary sites, even for those that are quite stiff. The standard spectral ratio (SSR) approach provides the relative site effects from the numerous weak motion recordings available at sites located in Provence and Kefalonia. The results show a strong epistemic variability due to the lighting induced by the position of the seismic source with respect to the basin. Thus, while a reliable site response estimation is possible from only a few events for 1D geometries, it requires much more earthquakes evenly distributed around the site when the geometry is 2D-3D. The mean SSR results are then compared with those obtained from methods using the ambient noise. As expected, the H/V spectral ratio approach (HVSR) provides only the fundamental frequency for some sites. Conversely, SSR applied to ambient noise (SSRn) shows very similar results to the SSR method up to high frequency, provided that the reference site is taken in the sedimentary basin. Approaches using the noise correlation (coherence and ANIRF) reveal that the transfer function relative to a rock reference site can be estimated at least up to low frequency (, Les effets de site peuvent augmenter fortement la durée et l’amplitude des sollicitations sismiques imposées aux structures. Les effets de site 2D-3D induisent des amplifications sur une large bande de fréquence qui ne peuvent pas être simulées numériquement jusqu’à haute fréquence (>2-4 Hz) du fait de la limite de résolution des connaissances géologiques, géophysiques et/ou géotechniques du sous-sol. Les évaluations empiriques des effets de site sont donc indispensables pour pouvoir observer ce phénomène complexe de façon fiable jusqu’à haute fréquence. De telles évaluations nécessitent l'enregistrement de bonne qualité de nombreux séismes ce qui rend leur obtention rapide difficile dans les régions faiblement actives.Ce travail présente une analyse comparative de ces évaluations empiriques sur deux sites très différents, l’un en contexte sismique modéré (Provence, France) et l’autre en contexte très actif (Céphalonie, Grèce). Sur le site provençal, 500 séismes ont pu être enregistrés en l’espace de 2½ ans grâce à l’utilisation de vélocimètres. Une mesure du paramètre d’atténuation de site k_0 a ainsi pu être réalisée via l’analyse des spectres en accélération (k_(0_AS)) et en déplacement (k_(0_DS)). La mesure de k_0 n’est relativement fiable que sur les sites au rocher du fait des amplifications de site au sédiment. La méthode des rapports spectraux sismique (SSR) permet l’évaluation des effets de site relatif à partir des nombreux enregistrements de mouvement faible. Les résultats montrent une forte variabilité épistémique attribuable à l’éclairage induit par la position de la source sismique vis-à-vis du bassin. Ainsi, une estimation fiable de la réponse des sites est possible à partir de quelques évènements seulement dans le cas 1D, mais nécessite un nombre beaucoup plus important de séismes répartis de façon homogène autour du site dans les cas 2D-3D. Les résultats SSR moyens sont ensuite comparés à ceux issus des méthodes utilisant le bruit ambiant. Conformément aux attentes, la méthode des rapports spectraux H/V (HVSR) ne permet que de caractériser la fréquence fondamentale pour certains sites. À l’inverse, la méthode SSR appliquée au bruit ambiant (SSRn) montre des résultats très comparables à ceux de la méthode SSR jusqu’à haute fréquence à la condition que le site de référence soit pris dans le bassin sédimentaire. Les approches par corrélation de bruit (cohérence et ANIRF) révèlent qu’une estimation de la fonction de transfert relative à un site de référence au rocher est possible au moins jusqu’à basse fréquence (

The aim of this study is to build a 3-D attenuation model of Earth's upper-mantle using a unique datasetbuilt by Debayle & Ricard (2012). This dataset is among the largest in the world: more than 375,000seismograms were analyzed to extract Rayleigh-wave attenuation and velocity measurements for thefondamental mode and the five first harmonics between 40 and 240 s periods.First, attenuation measurements are processed to extract the effects of geometrical attenuation and offocusing and defocusing, in order to minimize the influence of errors on the seismic source, to avoidpotentially incorrect data, and to cluster redondant measurements. Then, measurements are regionalizedto obtain Rayleigh-wave maps for each mode and each period. The last step is the inversion of thesemaps to obtain the depth dependent attenuation. Eventually, we obtain QsADR17, a 3-D model of Swaveattenuation in the upper mantle.QsADR17 is correlated with surface tectonics down to 200 km depth, with low attenuation under thecontinents and high attenuation under the oceans. High-attenuation anomalies are found under oceanicridges down to 150~km depth, and under most of the hotspots at larger depth down to the transitionzone. A large high-attenuation anomaly at 150~km depth under the Pacific ocean suggest that thermalplumes pound into the asthenosphere. We also detect compositional heterogeneities at the base of thecratons and in active areas.; L'objectif de cette thèse est de construire un modèle d'atténuation sismique du manteau supérieur dela Terre en utilisant un jeu de données original construit par Debayle et Ricard (2012). Ce jeu dedonnées est l'un des plus complet au monde (plus de 375 000 sismogrammes analysés pour extrairel'atténuation et la vitesse de phase du mode fondamental et des cinq premiers harmoniques des ondesde Rayleigh).Les mesures d'atténuation sont tout d'abord traitées pour extraire les effets de l'expansion géométriqueet de la focalisation, minimiser les effets d'erreurs sur la source, écarter les mesures incertaines etregrouper les mesures redondantes. Elles sont ensuite régionalisées pour obtenir des cartes desvariations latérales de l'atténuation des ondes de Rayleigh pour chaque mode et chaque période. Ladernière étape est l'inversion en profondeur des cartes. Elle permet d'obtenir QsADR17, un modèle 3Dde l'atténuation des ondes S dans le manteau supérieur.QsADR17 est corrélé avec la tectonique de surface jusqu'à 200 km de profondeur, avec une faibleatténuation sous les continents et une forte atténuation sous les océans. Des anomalies de forteatténuation sont observées jusqu'à 150~km de profondeur sous les rides océaniques, et persistent à plusgrande profondeur jusque dans la zone de transition sous la plupart des points chauds. La présence delarges anomalies atténuantes situées à 150 km de profondeur sous l'océan Pacifique suggère queplusieurs panaches thermiques viennent s'étaler dans l'asthénosphère. Nous avons également détecté laprésence d'hétérogénéités de composition à la base des cratons et dans un certain nombre de régionsactives.

From all the ionospheric signals generated by the mega-earthquake of Tohoku, March, 11, 2011 (atmospheric and gravity waves excited from the surface rupture, ionospheric waves forced by the propagating Rayleigh or tsunami), the ionospheric hole, which developed above the source, is the strangest and less modeled signal. This PhD aimed to model the impact in the ionosphere of the arrival of the acoustic wave, by using for the first time a 3D approach, not only for the wave propagation, but also for the geometry of the shoreline and oceanic bathymetry. The seismic source has also been modeled with an extended source model, which represent much better the emission by the propagative rupture of the acoustic waves in the atmosphere. In order to reach that goal, the numerical code SPECFEM3D Cartesian has been modified, in order to introduce the gravity, the atmospheric cutoff and the interaction of the neutral wave field with the ionospheric plasma. Results show the importance of the extended source, not only for a good modeling of the amplitude of the wave, but also for the geometry of a strong wave front likely closely related to the hole generation. Although the modeling lack with an exact modeling of the attenuation, which lead to overestimation of the long period acoustic pulse, we are able to reproduce the ionospheric hole and demonstrate that it is more linked to the non-linearity of the ionospheric coupling than to non-linearity of the wave equation. These results suggest that the ionospheric hole is mostly generated to the non-linearity of the ionospheric advection by the acoustic wave, and that its amplitude depend strongly on the magnitude of the earthquake; De tous les signaux ionosphériques générés par le grand séisme de Tohoku du 11 Mars 2011 (ondes acoustiques ou de gravité ionosphériques excitées par la rupture de surface, ondes ionosphériques forcées par les ondes de Rayleigh ou le tsunami), le trou ionosphérique qui est apparu au dessus de la source est le signal le plus énigmatique et le moins bien modélisé. Cette thèse a consisté à modéliser l’impact dans l’ionosphère de l’arrivée de l’onde acoustique, en utilisant pour la première fois une approche 3D, tant pour la propagation des ondes que pour la géométrie des cotes et de la bathymétrie océanique. La source sismique a également été modélisée avec une source étendue, représentant plus fidèlement l’émission par la rupture, des ondes acoustiques dans l’atmosphère. Nous avons du pour cela modifier les codes numériques SPECFEM3D cartésien, en intégrant tout à la fois la gravité, la fréquencede coupure acoustique et l’interaction du champ de vitesse de l’atmosphère neutre avec le plasma ionosphérique. Les résultats montrent l’importance d’une source étendue, tant pour bien estimer l’amplitude de l’onde des neutres que pour modéliser un front d’onde fort qui entraine, par advection, le plasma ionosphérique. Bien que l’absence d’atténuation dans ces travaux rendent l’amplitude de l’onde directe encore trop forte, un trou ionosphérique est bien reproduit, et son origine semble plus associée à la non linéarité du couplage ionosphérique qu’à la non linéarité de l’équation des ondes. Ces résultats suggèrent que le trou ionosphérique est essentiellement lié à la non linéarité de l’entrainement de l’ionosphère par l’onde acoustique, et que ce dernier à une amplitude qui dépend fortement de la magnitude.

For many applications, it is important to obtain location information about a resident in an indoor environment. The vibration signature of the human footstep on a ﰝoor creates an elastic wave that is induced by the walking motions. Our goal in this study is to localize footsteps using seismic sensors that are ﰜxed on the ﰝoor in the indoor environment. Firstly, we studied the existing techniques of seismic source localization. The complexity of the elastic waves propagation in a building led to exclude these techniques. Then, we established a theoretical and experimental study of seismic wave propagation in a concrete slab. It appears that the only reliable information in such an environment is the conservation of the order of arrival of signals to the sensors. So, we deduced an algorithm of footstep localization based on the signs of time diﰛerences of signals arrival. This approach has been the subject of many numerical and experimental validations. In the end, an extension of this approach was developed to allow dynamic localization of a person with an accuracy of the order of some tens of centimeters., La répartition des occupants dans un bâtiment est une information im- portante pour la gestion des bâtiments, la surveillance d'intrus ou le contrôle d'activité des personnes âgées,. . . Dans cette étude, nous nous sommes inté- ressés à la localisation d'une personne à partir des vibrations provoquées par son déplacement. De telle méthode nécessitent l'instrumentation du bâtiment par des capteurs sismiques. Nous avons, tout d'abord, étudié les méthodes de localisation classiques d'une source sismique. La complexité des phénomènes de propagation en jeu dans un bâtiment a mené à exclure ces méthodes. Ensuite, nous avons établi une étude théorique et expérimentale de la propa- gation des ondes sismiques dans une dalle en béton. Il en ressort que la seule information ﰜable dans un tel environnement est la conservation de l'ordre d'arrivée des signaux aux capteurs. Nous avons déduit alors une méthode de localisation basée sur les signes des diﰛérences des temps de vol. Cette ap- proche, originale et robuste vis-à-vis des connaissances a priori sur le milieu, a fait l'objet de plusieurs validations numériques et expérimentales. En ﰜn, une extension de cette méthode a été également développée pour permettre la localisation dynamique d'une personne avec une précision de l'ordre de quelques dizaines de centimètres.

Full waveform inversion has shown a great suitability in the acoustic case for imaging large and deep kilometric structures. Contrary to first traveltimes tomography, this imaging technique allows to process the whole seismic signal in order to produce a high resolution image of the medium. In the particular context of subsurface prospecting, the elastic approximation needs to be considered to take into account the surface waves which constitute the most part of the seismic signal, with the offset range used for such studies. In our approach, the forward problem is numerically solved in the frequency domain in order to take into account a multi-source and multi-receiver seismic device efficiently. In front of the difficulties inherent to the finite difference method with regard to complex topographies, a formulation based on finite elements discontinuous Galerkin technique is finally used. The inverse problem requires an initial guess of the inverted parameters to minimize the objective function in an iterative way. The method is first applied to simple numerical models to assess the role of the different parameters which control the inversion process. A synthetic model of the Super-Sauze earthflow, characterized by strong contrasts and a complex topography is afterwards considered to evaluate the performances of the code. This study allows us to highlight the impact of the optimisation technique used, the acquisition device, the quality of the initial model and the contribution of the preconditioning strategy used in the inversion process. The approach is then applied to examples using real data acquired over the Jargeau site (45) in the presence of a cavity, and over the Super-Sauze earthflow (04). The difficulties inherent to real conditions require an important data pre-processing. The source estimation is also a critical issue that directly impacts the convergence of the inversion. In the first case, the proposed methodology succeeds to reconstruct an image of the seismic parameters distributions (Vp and Vs) with a relatively good accuracy, the final quality of these images being dependant on the efforts produced to constrain the inversion. The second case reveals the difficulties related to complex media ; seismic data show a low signal to noise ratio, the topography is very sharp and generates a strong level of diffracted surface waves, the seismic source varies from one shot to another. Despite the complexity of the context, the inversion results are in good agreement with the geotechnical knowledge of the site., L'inversion des formes d'onde sismique a démontré toute sa pertinence dans le cas acoustique pour imager des structures kilométriques. Contrairement aux méthodes de tomographie des premiers temps d'arrivée, cette technique d'imagerie à l'avantage d'exploiter l'ensemble du signal sismique pour produire une image haute résolution du milieu. Dans le contexte de la proche surface, l'approximation élastique devient nécessaire afin de prendre en compte les ondes de surface, qui prédominent le signal sismique avec les gammes de déports utilisées. Dans notre approche, le problème direct est résolu numériquement dans le domaine fréquentiel afin de prendre en charge efficacement des acquisitions multisources et multi-récepteurs. Devant les complications générées par une approche en différences finies pour traiter les topographies complexes, une formulation en éléments finis Galerkin discontinus est finalement utilisée. Le problème inverse nécessite un modèle initial pour les paramètres inversés et permet de minimiser la fonction objectif de façon itérative. Cette méthode est appliquée dans un premier lieu à des modèles numériques simples afin de contrôler le rôle des différents paramètres de l'inversion. Un modèle synthétique du glissement de Super-Sauze, caractérisé par de forts contrastes et une topographie complexe, est par la suite utilisé pour évaluer les performances du code. Cette étude met en évidence l'importance de la méthode d'optimisation utilisée, du dispositif d'acquisition, de la qualité du modèle initial et de l'apport des stratégies de pré-conditionnement utilisées dans le processus d'inversion. La méthode est ensuite appliquée à deux jeux de données réelles, acquis respectivement au-dessus d'une cavité maçonnée à Jarjeau (45), et sur le glissement de terrain de Super-Sauze (04). Les difficultés relatives aux conditions réelles nécessitent un prétraitement important des données. L'estimation de la source constitue aussi un problème majeur qui impacte directement la convergence de l'inversion. Dans le premier cas, la méthode proposée permet de produire une image plus ou moins fidèle des distributions des vitesses du milieu, la qualité finale de ces images variant suivant les efforts mis en oeuvre pour contraindre l'inversion. Le deuxième cas illustre quant à lui toutes les difficultés relatives aux milieux complexes : les données montrent un faible rapport signal sur bruit, la topographie très découpée génère un fort taux de diffraction des ondes de surface, la signature de la source admet de fortes variations d'un tir à l'autre. Malgré la complexité du contexte, les résultats de l'inversion des formes d'onde sont en bon accord avec la connaissance géotechnique du site.

For more than 15 yr, the recording of hydroacoustic signals with hydrophones moored in a minimum sound-velocity channel, called the SOFAR (SOund Fixing And Ranging) channel, has allowed for detection and localization of many small-magnitude earthquakes in oceanic areas. However, the interpretation of these hydroacoustic signals termed ``T-waves'' fails to provide direct information on the magnitudes, focal mechanisms, or focal depths of the causative earthquakes. These limitations result, in part, from an incomplete understanding of the physics of the conversion, across the seafloor interface, from seismic waves generated by subseafloor earthquakes to hydroacoustic T-waves. To try and overcome some of these limitations, we have developed a 2-D finite-element mechanical model of the conversion process. By computing an exact solution of the velocity field of the waterborne T-waves, our model shows that a double-couple source mechanism of a subseafloor earthquake generates T-waves, whose take-off angles are adequate to allow penetration into the SOFAR channel and efficient trapping by this waveguide. In addition, our model confirms the relative importance of P and S seismic waves in the amplitude of the produced T-wave. Further developments are in progress with a view to modelising the effects of regional or local topographic characteristics of seafloor on T-wave production. In the long term, the use of our code's outputs as inputs to a long range acoustic propagation code could allow T-wave modelling along its whole path, from seismic source to hydrophone.; Depuis plus de quinze ans, l'enregistrement des signaux hydroacoustiques par des hydrophones dans le canal SOFAR (SOund Fixing And Ranging) a permis la détection et la localisation de nombreux séismes de faible magnitude dans l'océan. Cependant, l'interprétation de ces signaux hydroacoustiques appelés ``ondes T'' ne permet pas de fournir une information directe sur les magnitudes, les mécanismes aux foyers et les profondeurs focales des séismes en cause. Cette limitation vient en partie du fait que le mécanisme de conversion des ondes sismiques en ondes acoustiques au passage du fond océanique n'est pas totalement compris à ce jour. Pour tenter de résoudre ce problème, nous avons développé un code mécanique 2D solide-fluide capable de modéliser le processus de conversion sismo-acoustique. En calculant de manière exacte la solution du champ de vitesses de l'onde acoustique produite, notre modèle montre qu'une source en double couple dans la croûte océanique produit des ondes T dans la colonne d'eau avec des angles permettant de se propager dans le SOFAR. Notre modèle confirme également l'importance relative des ondes P et S dans l'amplitude de l'onde T produite. Des développements sont en cours pour modéliser l'effet des caractéristiques topographiques régionales ou locales du fond océanique sur la production des ondes T. A terme, les sorties de ce modèle, utilisées comme entrées d'un code de propagation acoustique longue distance, pourraient permettre de modéliser l'onde T sur l'ensemble de son trajet, de la source sismique à l'hydrophone.

For more than 15 yr, the recording of hydroacoustic signals with hydrophones moored in a minimum sound-velocity channel, called the SOFAR (SOund Fixing And Ranging) channel, has allowed for detection and localization of many small-magnitude earthquakes in oceanic areas. However, the interpretation of these hydroacoustic signals termed ``T-waves'' fails to provide direct information on the magnitudes, focal mechanisms, or focal depths of the causative earthquakes. These limitations result, in part, from an incomplete understanding of the physics of the conversion, across the seafloor interface, from seismic waves generated by subseafloor earthquakes to hydroacoustic T-waves. To try and overcome some of these limitations, we have developed a 2-D finite-element mechanical model of the conversion process. By computing an exact solution of the velocity field of the waterborne T-waves, our model shows that a double-couple source mechanism of a subseafloor earthquake generates T-waves, whose take-off angles are adequate to allow penetration into the SOFAR channel and efficient trapping by this waveguide. In addition, our model confirms the relative importance of P and S seismic waves in the amplitude of the produced T-wave. Further developments are in progress with a view to modelising the effects of regional or local topographic characteristics of seafloor on T-wave production. In the long term, the use of our code's outputs as inputs to a long range acoustic propagation code could allow T-wave modelling along its whole path, from seismic source to hydrophone.; Depuis plus de quinze ans, l'enregistrement des signaux hydroacoustiques par des hydrophones dans le canal SOFAR (SOund Fixing And Ranging) a permis la détection et la localisation de nombreux séismes de faible magnitude dans l'océan. Cependant, l'interprétation de ces signaux hydroacoustiques appelés ``ondes T'' ne permet pas de fournir une information directe sur les magnitudes, les mécanismes aux foyers et les profondeurs focales des séismes en cause. Cette limitation vient en partie du fait que le mécanisme de conversion des ondes sismiques en ondes acoustiques au passage du fond océanique n'est pas totalement compris à ce jour. Pour tenter de résoudre ce problème, nous avons développé un code mécanique 2D solide-fluide capable de modéliser le processus de conversion sismo-acoustique. En calculant de manière exacte la solution du champ de vitesses de l'onde acoustique produite, notre modèle montre qu'une source en double couple dans la croûte océanique produit des ondes T dans la colonne d'eau avec des angles permettant de se propager dans le SOFAR. Notre modèle confirme également l'importance relative des ondes P et S dans l'amplitude de l'onde T produite. Des développements sont en cours pour modéliser l'effet des caractéristiques topographiques régionales ou locales du fond océanique sur la production des ondes T. A terme, les sorties de ce modèle, utilisées comme entrées d'un code de propagation acoustique longue distance, pourraient permettre de modéliser l'onde T sur l'ensemble de son trajet, de la source sismique à l'hydrophone.

We develop a non linear inversion method based on the simulated annealing and using the amplitudes of the P, SV and SH direct waves, in order to determine focal mechanism from few stations as in reservoir context. This method allows the determination of the fault plane solution (strike, dip and rake) characterizing a double-couple solution or the determination of the six components of the moment tensor describing a general seismic source. The double-couple inversion and the moment tensor inversion are tested on four earthquakes induced in the geothermal reservoir of Soultz-sous-Forêts. The calculated focal mechanisms are in accordance with the solutions determined by Charlety et al. 2007. Finally, the inversion method is applied to the seismicity of the Vauvert salt production site recorded by two permanent 3-component stations. First, the method is tested on 15 earthquakes recorded during the deployment of a temporary antenna of four 3-component stations. The comparison between the inversion using the two permanent stations and the temporary antenna and the inversion using the two permanent stations only shows similar focal mechanisms for the events located between the two permanent stations. Second, the method is applied to a seismicity swarm. The focal mechanisms are obtained for 532 events and globally indicate rupture along NE-SW sub-vertical fractures. These focal solutions are interpreted as ruptures on stratigraphic planes in the non-soluble beds intercalated in the salt series.; Nous proposons une méthode d'inversion non linéaire des amplitudes des ondes directes P, SV et SH basée sur l'algorithme du recuit simulé, afin de déterminer à partir d'un nombre limité de stations, le mécanisme au foyer de séismes induits en contexte de réservoir. Cette méthode permet de déterminer aussi bien les paramètres du plan de faille (azimut, pendage et angle de glissement) décrivant une source double-couple, que les six composantes du tenseur des moments décrivant une source plus générale. L'inversion double-couple et l'inversion du tenseur des moments sont testées sur quatre séismes induits dans le réservoir géothermique de Soultz-sous-Forêts. Les mécanismes obtenus sont en accord avec ceux déterminés par Charléty et al. 2007.La méthode d'inversion est appliquée à la sismicité de la saline de Vauvert enregistrée par un réseau permanent de deux stations 3-composante. Dans un premier temps, la méthode est testée sur 15 séismes enregistrés durant le déploiement temporaire d'une antenne de quatre capteurs 3-composante. La comparaison entre l'inversion utilisant les deux stations permanentes et l'antenne temporaires et l'inversion utilisant seulement les deux stations permanentes montre des mécanismes au foyer double-couple identiques pour les séismes localisés entre les deux stations permanentes. Dans un deuxième temps, la méthode est appliquée à un essaim de sismicité. Les mécanismes au foyer obtenus pour 532 évènements, indiquent pour la majorité une rupture le long de fractures sub-verticales NE-SW, interprétée comme de probables ruptures sur les plans stratigraphiques des bancs d'insolubles intercalés dans la formation de sel.

This PhD describes the application of seismology to asteroids, with two main objectives: estimating the behavior of an asteroid following the occurrence of a seismic excitation and explaining the deficit in small craters observed on asteroid 433 Eros. This asteroid, imaged in the years 2000-2001 by the NEAR spacecraft, exhibits a surface covered by regolith (loose material resulting from rocks crushed by impacts) but depleted in craters with a diameter lower than 200 m (Chapman et al., 2002). The first objective consists in simulating the vibrations triggered by a seismic source for 2-D and 3-D models of the asteroid Eros based on the spectral-element numerical method (e.g., Komatitsch et Tromp, 1999).This method approximates the solution of the seismic wave equation on a mesh of the object under study. The simulations that we performed for different models of asteroid Eros suggest that the regolith layer has an important effect by acting as a wave guide and increasing the amplitude of the seismic signals at the surface of the models. We also show that the presence of a regolith layer reduces the importance of the details of the internal structure of the asteroid, such as the presence of a fracture network. The second objective consists in explaining the observed deficit in small craters on asteroid Eros. The simulation of crater infilling by the deposit of ejecta resulting from impacts explains only part of the erased craters (Blitz et al., 2009). We therefore simulated an impact-induced seismic shaking erasure process that triggers slumping on crater walls (Richardson et al., 2005). The simultaneous action of these two erasure processes (ejecta coverage and seismic shaking) results in a crater population curve that is close to the observed data for an exposure time of about 600 Ma in the Main Asteroid Belt.; La présente thèse décrit l'application de la sismologie aux astéroïdes à travers deux objectifs principaux : évaluer le comportement d'un astéroïde suite à une excitation sismique et proposer des hypothèses justifiant le déficit en petits cratères observé sur l'astéroïde 433 Eros. Cet astéroïde, imagé par la sonde NEAR durant l'année 2000-2001, montre une surface constituée de régolite (roche inconsolidée, broyée par les impacts) et déficitaire en petits cratères de taille inférieure à 200 m environ. Le premier objectif a consisté, après une étude préliminaire sur les modes propres (e.g., Lognonné et Clévédé, 2002) de petits modèles d'astéroïdes sphériques, à simuler les vibrations de modèles 2-D et 3-D de l'astéroïde Eros soumis à une source sismique grâce à la méthode des éléments spectraux. Cette méthode consiste à approximer la solution de l'équation d'onde sur un maillage de l'objet étudié (e.g., Komatitsch et Tromp, 1999). Les simulations de propagation d'onde effectuées sur les divers modèles de l'astéroïde Eros suggèrent un rôle important de la couche de régolite en tant que guide d'onde à l'origine d'une amplification des signaux sismiques en surface. De même, pour une étude des signaux enregistrés en surface de l'astéroïde, la présence d'une couche de régolite semble occulter l'effet d'une structure interne (tel un réseau de fractures). Le second objectif de la thèse consiste à expliquer le déficit en petits cratères observé sur l'astéroïde 433 Eros. La simulation du rebouchage des cratères par recouvrement des débris d'impacts permet d'expliquer une partie du déficit en petits cratères mais pas tout (Blitz et al., 2009). Nous avons donc simulé le rebouchage des cratères par les glissements de terrains sur les bords des cratères déclenchés par les vibrations résultant des impacts (Richardson et al., 2005) à partir de simulations de propagation d'onde effectuées dans un modèle 3-D de l'astéroïde Eros. L'action simultanée de ces deux moyens d'érosion permet de simuler une population de cratères semblable à celle observée sur Eros pour un temps d'exposition aux impacteurs de la Ceinture Principale d'Astéroïde d'environ 600 Ma.

This PhD describes the application of seismology to asteroids, with two main objectives: estimating the behavior of an asteroid following the occurrence of a seismic excitation and explaining the deficit in small craters observed on asteroid 433 Eros. This asteroid, imaged in the years 2000-2001 by the NEAR spacecraft, exhibits a surface covered by regolith (loose material resulting from rocks crushed by impacts) but depleted in craters with a diameter lower than 200 m (Chapman et al., 2002). The first objective consists in simulating the vibrations triggered by a seismic source for 2-D and 3-D models of the asteroid Eros based on the spectral-element numerical method (e.g., Komatitsch et Tromp, 1999).This method approximates the solution of the seismic wave equation on a mesh of the object under study. The simulations that we performed for different models of asteroid Eros suggest that the regolith layer has an important effect by acting as a wave guide and increasing the amplitude of the seismic signals at the surface of the models. We also show that the presence of a regolith layer reduces the importance of the details of the internal structure of the asteroid, such as the presence of a fracture network. The second objective consists in explaining the observed deficit in small craters on asteroid Eros. The simulation of crater infilling by the deposit of ejecta resulting from impacts explains only part of the erased craters (Blitz et al., 2009). We therefore simulated an impact-induced seismic shaking erasure process that triggers slumping on crater walls (Richardson et al., 2005). The simultaneous action of these two erasure processes (ejecta coverage and seismic shaking) results in a crater population curve that is close to the observed data for an exposure time of about 600 Ma in the Main Asteroid Belt.; La présente thèse décrit l'application de la sismologie aux astéroïdes à travers deux objectifs principaux : évaluer le comportement d'un astéroïde suite à une excitation sismique et proposer des hypothèses justifiant le déficit en petits cratères observé sur l'astéroïde 433 Eros. Cet astéroïde, imagé par la sonde NEAR durant l'année 2000-2001, montre une surface constituée de régolite (roche inconsolidée, broyée par les impacts) et déficitaire en petits cratères de taille inférieure à 200 m environ. Le premier objectif a consisté, après une étude préliminaire sur les modes propres (e.g., Lognonné et Clévédé, 2002) de petits modèles d'astéroïdes sphériques, à simuler les vibrations de modèles 2-D et 3-D de l'astéroïde Eros soumis à une source sismique grâce à la méthode des éléments spectraux. Cette méthode consiste à approximer la solution de l'équation d'onde sur un maillage de l'objet étudié (e.g., Komatitsch et Tromp, 1999). Les simulations de propagation d'onde effectuées sur les divers modèles de l'astéroïde Eros suggèrent un rôle important de la couche de régolite en tant que guide d'onde à l'origine d'une amplification des signaux sismiques en surface. De même, pour une étude des signaux enregistrés en surface de l'astéroïde, la présence d'une couche de régolite semble occulter l'effet d'une structure interne (tel un réseau de fractures). Le second objectif de la thèse consiste à expliquer le déficit en petits cratères observé sur l'astéroïde 433 Eros. La simulation du rebouchage des cratères par recouvrement des débris d'impacts permet d'expliquer une partie du déficit en petits cratères mais pas tout (Blitz et al., 2009). Nous avons donc simulé le rebouchage des cratères par les glissements de terrains sur les bords des cratères déclenchés par les vibrations résultant des impacts (Richardson et al., 2005) à partir de simulations de propagation d'onde effectuées dans un modèle 3-D de l'astéroïde Eros. L'action simultanée de ces deux moyens d'érosion permet de simuler une population de cratères semblable à celle observée sur Eros pour un temps d'exposition aux impacteurs de la Ceinture Principale d'Astéroïde d'environ 600 Ma.

We develop an elliptical approximation method of the seismic source to improve the efficiency of both kinematic and dynamic inversions. We apply it to the 2000 Tottori Japan earthquake.A non-linear kinematic inversion is first computed with the neighbourhood algorithm (NA). It converges on a slip distribution modeled by two elliptical patches and reproduces very well the strong motion records. The solution is non-unique.We then apply the method to dynamic inversions. The dynamic rupture propagation is modeled with a finite difference method and the friction law is of the slip weakening type. We compute a trial and error dynamic inversion for both the asperity and the barrier models. The latter is easier to implement and matches better the observed records. The computed seismic moment is compatible with the magnitude of the Tottori earthquake and the fracture energy is similar to that estimated by other studies.The dynamic inversion is implemented with the NA for the barrier model. The results correspond to a better fit of the observed data and illustrate the non-unicity of the dynamic solution.; Nous développons une méthode d'approximation elliptique de la source des séismes qui améliore l'efficacité des inversions cinématiques et dynamiques. Nous l'appliquons au séisme de Tottori (Japon 2000).Une inversion cinématique non-linéaire est d'abord résolue par l'algorithme de voisinage (NA). Elle converge vers une distribution de glissement modélisée par deux ellipses et reproduit très bien les données de mouvement fort. La solution est non unique.Nous étendons la méthode aux inversions dynamiques. La propagation dynamique de la rupture est modélisée en différences finies et la loi de frottement est du type affaiblissement de glissement.Nous réalisons une inversion par essai-erreur pour les modèles d'aspérité et de barrière. Ce dernier permet une implémentation facile et un meilleur accord avec les données observées. Le moment sismique calculé est compatible avec la magnitude du séisme et l'énergie de rupture est proche de celle d'autres études.Nous automatisons l'inversion dynamique pour le modèle de barrière par le NA. Les résultats d'inversion montrent un meilleur accord avec les données et illustrent la non-unicité de la solution dynamique.

We develop an elliptical approximation method of the seismic source to improve the efficiency of both kinematic and dynamic inversions. We apply it to the 2000 Tottori Japan earthquake.A non-linear kinematic inversion is first computed with the neighbourhood algorithm (NA). It converges on a slip distribution modeled by two elliptical patches and reproduces very well the strong motion records. The solution is non-unique.We then apply the method to dynamic inversions. The dynamic rupture propagation is modeled with a finite difference method and the friction law is of the slip weakening type. We compute a trial and error dynamic inversion for both the asperity and the barrier models. The latter is easier to implement and matches better the observed records. The computed seismic moment is compatible with the magnitude of the Tottori earthquake and the fracture energy is similar to that estimated by other studies.The dynamic inversion is implemented with the NA for the barrier model. The results correspond to a better fit of the observed data and illustrate the non-unicity of the dynamic solution., Nous développons une méthode d'approximation elliptique de la source des séismes qui améliore l'efficacité des inversions cinématiques et dynamiques. Nous l'appliquons au séisme de Tottori (Japon 2000).Une inversion cinématique non-linéaire est d'abord résolue par l'algorithme de voisinage (NA). Elle converge vers une distribution de glissement modélisée par deux ellipses et reproduit très bien les données de mouvement fort. La solution est non unique.Nous étendons la méthode aux inversions dynamiques. La propagation dynamique de la rupture est modélisée en différences finies et la loi de frottement est du type affaiblissement de glissement.Nous réalisons une inversion par essai-erreur pour les modèles d'aspérité et de barrière. Ce dernier permet une implémentation facile et un meilleur accord avec les données observées. Le moment sismique calculé est compatible avec la magnitude du séisme et l'énergie de rupture est proche de celle d'autres études.Nous automatisons l'inversion dynamique pour le modèle de barrière par le NA. Les résultats d'inversion montrent un meilleur accord avec les données et illustrent la non-unicité de la solution dynamique.

High to Very High Resolution marine seismics are of common use to build and refine models of sediment processes and to explore, for instance, relationships between sediment stratigraphy and sea level variations. The frequency range of this technology lays between 200 and 4000 Hz, providing a vertical resolution of metric to sub-metric scale. Marine experiments with seismic source and receivers towed close to the seafloor are set up in order to limit the energy loss related to wave front divergence and unwanted 3D effects or diffraction hyperbolas deteriorating the quality of the resulting seismic image. The technological challenge was thus to provide users with appropriate seismic acquisition system able to deal with high hydrostatic pressure which forbids the use of any conventional surface-towed explosive source. The Janus-Helmholtz acoustic source, initially designed for low frequency active sonar, allows a wide frequency bandwidth and offers a highly repeatable acoustic signal perfectly tailored for accurate soil characterisation. The potential of this acoustic sources may be achieved only if the receiving array is able to take full advantage of the quality of the emitted signal and therefore hydrophones and streamer were designed to meet those requirements., La sismique réflexion marine Haute ou Très Haute Résolution (HR ou THR), mise en œuvre pour les reconnaissances géotechniques des sols superficiels, utilise des fréquences comprises entre quelques centaines de Hz et quelques kHz. Ceci lui confère un pouvoir de résolution métrique ou décamétrique, associé à une pénétration de quelques dizaines à quelques centaines de mètres, fonction de la nature des sols reconnus. Les systèmes conventionnels sont constitués d’émetteurs et d’antennes linéaires de réception remorqués en surface. Afin d’augmenter les résolutions latérale et verticale, et de limiter les pertes en transmission par divergence sphérique, l’IFREMER a développé plusieurs outils de sismique marine remorqués près du fond permettant ainsi de répondre aux nouveaux besoins de reconnaissance en mer profonde (risques naturels, exploration industrielle, …). L’utilisation d’une source ou d’un récepteur sismique par grande profondeur est confrontée au problème de la pression hydrostatique ambiante. Les transducteurs d’émission basse fréquence et large bande, issus de la technologie Janus-Helmholtz, et les antennes de réception ont été ainsi adaptés aux très grandes immersions (6000 m).

For around twenty years, the signal processing community has developed, for digital communication, different methods of blind deconvolution making it possible to retrieve the unknown convolutive components of one known signal. In this work, we study the way to apply these blind deconvolution technics to seismology in order to estimate the source function or the site effects from only a small numbers of surface seismic records. Based on the theory of coda wave and on a minimum phase deconvolution method, we develop an original algorithm for coda waves. We first apply it to the records of the Kursk's underwater explosion (12/08/2000). After showing that such an explosion is roughly a minimum phase source, we estimate, from the obtained minimum phase source function of the Kursk, the depth and the power of the explosion. We then apply this method to the Rambervillers's earthquake (22/02/2003, Ml=5.4). From the estimated minimum phase source time function, we retrieve not only the duration and the seismic moment but also the site effect at recording stations located several kilometers away from one another. In order to release the minimum phase assumption, we use a higher order statistic blind deconvolution on the stationnarized coda signal. From the multi-station stacked tricorrelation, we obtain a source time function consistent with the source function estimated after deconvolution by empirical Green function, which is in agreement with the minimum phase seismic source function. These first results show that these methods seem to be very powerful, and they should be applied on a set of records of different events from different stations through global inversion scheme., Depuis maintenant une vingtaine d'années, l'essor des télécommunications numériques a généré toute une panoplie de méthodes dites de déconvolution aveugle. Celles-ci permettent de séparer les différentes composantes d'un produit de convolution sans en avoir aucune connaissance a priori. L'objectif de ce travail de thèse a été d'étudier leurs modalités d'applications à la sismologie, afin notamment, d'estimer la fonction source du mouvement sismique ou les effets de site. L'adaptation de la déconvolution à phase minimale au signal de coda, nous a permis d'identifier les fonctions sources de deux types d'évènements sismiques : l'explosion sous-marine du Kursk (12/08/2000), d'une part et le séisme de Rambervillers (22/02/2003, Ml=5.4) d'autre part. Nous avons ainsi pu estimer respectivement la profondeur, la charge de l'explosion ainsi que la durée et le moment sismique du séisme. Grâce à cette méthode, nous avons montré qu'il est aussi possible d'estimer les effets de site en différentes stations du RAP pourtant séparées de plusieurs dizaines de kilomètres. Nous avons ensuite appliqué les méthodes de déconvolution aveugle par statistique d'ordre supérieur aux signaux de coda stationnarisés du séisme de Rambervillers. Ces méthodes ont l'avantage de supprimer l'hypothèse de phase minimale, contraignante et théoriquement non justifiée en sismologie. La fonction source obtenue grâce à la tricorrélation moyennée sur l'ensemble du réseau, est très similaire à celle obtenue après déconvolution par fonction de Green Empirique. Les exemples traités montrent que les méthodes développées ici sont très prometteuses et mériteraient d'être appliquées à de nombreux autres jeux de données.

The aim of this work was to determine the nature of a seismic source from regional waveforms, and to study its temporal complexity in terms of sub-events. For this purpose, a linear inversion method was used to estimate the seismic moment tensor of the source. A previous bibliographic study allowed us to choose for suitable inversion and wave propagation modeling methods. In a first step, we have tested our inversion program on synthetic data, thus removing problems of propagation modeling. We studied the influence of various seismic phases and source depth on the quality of the inversion results. Impact from station network geometry and source mechanism was also investigated. In a second step, we have studied three real events. We were first interested in a mine collapse with a magnitude of 4.8. This event, for which source characteristics were a priori known, was used to define an inversion methodology. We also succeeded in extracting an isotropie component in the source of about 35%. Then, we have studied the event of Roermond (April 1992), as a good reference tectonic event. The mechanism obtained from the inversion of low frequency data is coherent with previous puhlished studies. The validity of the method was estimated from inversions in a higher frequency range. Finally, we have processed a smaller tectonic event, for which a near field signal was available. We have shown that mechanisms derived from independent inversions, using near field and far field recordings, yield compatible results. Furthermore, their deviatoric solution is consistent with the one obtained from first motion analysis., Ce travail de thèse a eu pour objectif d' utiliser des enregistrements effectués à distance régionale pour déterminer la nature d'une source sismique et étudier sa complexité éventuelle, à savoir l'existence de plusieurs sous-événements. A l'issue d'une synthèse bibliographique, nous avons choisi d'utiliser une méthode d' inversion linéaire qui permet d'estimer le tenseur des moments sismiques représentant la source. Dans un premier temps, nous avons testé le programme d'inversion sur des données numériques, en s'affranchissant des problèmes liés à la modélisation de la propagation. L'influence du type d'ondes inversées et de la profondeur de la source sur la qualité du résultat de l'inversion a été évaluée, ainsi que l'impact de la géométrie du réseau de stations et du type de source. Dans un deuxième temps, nous avons traité trois cas d'événements réels. Nous nous sommes tout d'abord intéressés à un effondrement de mine, de magnitude 4.8, dont les caractéristiques de la source étaient a priori connues, ce qui nous a permis de mettre au point une méthodologie d'inversion. Nous avons également mis en évidence l'existence d'une composante isotrope de la source de l'ordre de 35%. Nous avons ensuite étudié le séisme de Roermond (avril 1992) comme un événement tectonique de référence. Le mécanisme obtenu par l'inversion des données basses fréquences est cohérent avec les études précédemment publiées. Des inversions à plus hautes fréquences ont permis d'évaluer la limite de validité de la méthode. Enfin, nous avons traité un événement tectonique de plus petite taille, pour lequel un enregistrement en champ proche était disponible. Nous avons montré que les mécanismes issus de l'inversion de données régionales d'une part, et de champ proche d'autre part, sont compatibles entre eux, ainsi qu'avec le mécanisme issu de l'étude du sens des premiers mouvements.