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Imaging the structures in depth of the Pyrenees mountain range is a long-standing subject of study with the aim both of gaining a better understanding of the geodynamic processes responsible for its genesis, and also of enabling us to improve the prevention of seismic risks associated with the dynamics of these structures. The objective of this study is to use ambient seismic noise tomography to obtain 3D images of the Pyrenean region at two different scales. Firstly, at the crustal scale, in order to constrain the large structures in depth of the orogen and their continuities in space. Secondly, on the scale of a sedimentary basin characteristic of the complex geological history of the Pyrenees, the Mauléon-Arzacq basin located in the north-west of the chain.Here we will use the method of correlation of the ambient seismic noise (noted C1) which is an efficient way to retrieve the propagation times of surface waves between a pair of seismometers. This method is now widely used for seismic tomography and temporal monitoring of seismogenic structures. In this study, we further develop this noise correlation method and propose two innovative methodologies called high order correlations (C2 and C3), corresponding to iterations of noise correlations. These methods allow us to improve both the quality and the quantity of surface wave dispersion measurements between pairs of synchronous, but also asynchronous, i.e. not operating at the same time. By using these innovative methods, we have considerably improved the spatial coverage of the models in and around the Pyrenees.Subsequently, using a Bayesian probabilistic inversion scheme, we obtained two new high-resolution models of shear wave velocities, also including the probability densities of the layer boundaries (or seismic interfaces).At large scale, the Pyrenean crustal model shows a subduction of the Iberian plate under the Eurasian plate in the western part of the Pyrenees which disappears in the eastern part. The use of higher-order correlation has made it possible to extend it to the Bay of Biscay and has made it possible to image its structures for the first time in a Vs model of this scale. In particular, we have been able to image fast velocity anomalies that lie close to the surface at the levels of the Mauléon and Saint-Gaudens gravimetric anomalies. This result brings an additional element to answer one of the great latent questions of the Pyrenees, namely the source of these gravimetric anomalies. These results confirm the hypothesis that they are caused by the presence of scales of dense material close to the surface.On a smaller scale, the model of the Mauléon-Arzacq basin allowed to reveal in detail the deep structure of their substratum but also to image the clear limit formed by the North Pyrenean Frontal Overlap between these two basins., Imager les structures en profondeur de la chaîne des Pyrénées est un sujet d’étude de longue date ayant pour but à la fois de mieux connaître les processus géodynamiques responsable de sa genèse, mais aussi de nous permettre d’améliorer la prévention des risques sismiques associés à la dynamique de ces structures. L’objectif de cette étude est d’utiliser la tomographie de bruit sismique ambiant pour obtenir des images 3D de la région Pyrénéenne à deux échelles différentes. Premièrement, à l’échelle crustale, afin de contraindre les grandes structures en profondeur de l’orogène et leurs continuités dans l’espace. Deuxièmement, à l’échelle d’un bassin sédimentaire caractéristique de l’histoire géologique complexe des Pyrénées, le bassin de Mauléon-Arzacq situé au Nord-Ouest de la chaîne.Nous allons ici utiliser la méthode de corrélation du bruit sismique ambiant (notée C1) qui est un moyen efficace pour retrouver les temps de propagation des ondes de surface entre une paire de sismomètre. Cette méthode est maintenant largement utilisée pour la tomographie sismique et la surveillance temporelle de structures sismogènes. Dans cette étude, nous poussons plus loin cette méthode de corrélation de bruit et proposons deux méthodologies innovantes appelées corrélations d'ordre supérieur (C2 et C3), correspondant à des itérations de corrélations de bruit. Ces méthodes nous permettent d'améliorer à la fois la qualité et la quantité des mesures de dispersion des ondes de surface entre les paires de stations synchrones, mais aussi asynchrones, c’est-à-dire qui n’ont pas fonctionné en même temps. En utilisant ces méthodes innovantes, nous avons amélioré considérablement la couverture spatiale des modèles à l'intérieur et autour des Pyrénées.Par la suite, en utilisant un schéma d'inversion probabiliste bayésien, nous avons obtenu deux nouveaux modèles haute résolution de vitesse des ondes de cisaillement, incluant aussi les densités de probabilité des limites de couches (ou interfaces sismiques).À grande échelle, le modèle crustale Pyrénéen montre une subduction de la plaque ibérique sous la plaque eurasienne dans la partie Ouest des Pyrénées qui disparaît dans la partie Est. L’utilisation de corrélation d’ordre supérieur a permis de l’étendre au golfe de Gascogne et a permis d'imager ses structures pour la première fois dans un modèle Vs de cette échelle. En particulier, nous avons pu imager des anomalies de vitesses rapides qui se trouvent proche de la surface aux niveaux des anomalies gravimétriques de Mauléon et de Saint-Gaudens. Ce résultat apporte un élément supplémentaire pour répondre à l'une des grandes questions latentes des Pyrénées, à savoir la source de ces anomalies gravimétriques. Ces résultats confortent l'hypothèse qu’elles sont causées par la présence d'écailles de matériel dense proche de la surface.À plus petite échelle, le modèle du bassin de Mauléon-Arzacq a permis de révéler en détail la structure en profondeur de leur substratum mais aussi d'imager la limite nette que forme le Chevauchement Frontal Nord Pyrénéen entre ces deux bassins.

Knowledge about the Earth’s deep structures comes mainly from seismic tomography. Of course, other sources of information are available to better understand the deep Earth’s interior such as magnetism, geodesy or geochemistry. For several years, seismic tomography steadily improved, by both new developments in theory and new data. In this study, we will present the first unbiased tomographic images of the mantle obtained through a rejuvenated Backus–Gilbert joint inversion of two different data sets: finite-frequency shear-wave time-residuals and normal modes data. The Backus–Gilbert inversion scheme allows to interpret quantitatively the unbiased multi-resolution images. The Backus–Gilbert inversion allows to obtain unbiased model estimates and the associated appraisal (resolution and uncertainties). For the first time, a joint Backus–Gilbert tomography is delivered to the community with its associated appraisal. In the last part we show how we can quantitatively interpret a complex geodynamical structure inside the mantle., La tomographie sismique est fondamentale dans l’apport des connaissances liées aux structures profondes de la Terre. Bien que d’autres domaines des géosciences soient également des sources importantes d’information tels que le géomagnétisme, la géodésie ou la géochimie. Depuis plusieurs années, la technique de tomographie sismique ne cesse de s’améliorer et des images toujours plus précises de l’intérieur de la Terre sont produites. L’amélioration de ces images est principalement due aux développements théoriques mais également à l’acquisition de nouvelles données permettant d’imager des zones jusqu’ici peu contraintes. Dans cette étude, nous présentons le premier modèle tomographique du manteau terrestre inversé conjointement avec des ondes de volume et des modes propres dans un schéma d’inversion de type Backus–Gilbert. Ce schéma d’inversion permet de produire des images quantitatives et non biaisées du manteau terrestre. L’inversion Backus–Gilbert permet d’obtenir des estimations du modèle de Terre non biaisées avec des outils permettant d’évaluer le modèle (résolution et incertitudes). L’utilisation de ces outils d’évaluation du modèle tomographique est présentée à travers un exemple concret.

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.

Green's function estimation from ambient seismic noise relies on the strong hypothesis that noise seismic sources are evenly distributed in the medium. Yet, observations of seismic data show that the noise sources do not provide such good conditions in real cases. Strongly coherent seismic sources or directional noise seismic sources may exist, and are harmful to the application of this in ambient seismic imaging. Several signal processing techniques are nowadays routinely applied to individual seismograms in frequency and temporal domain to improve the quality of reconstruction of the Green's function. The present work takes place in this context. Our approach is inspired by array-processing techniques, and is particularly focused on the covariance matrix of data recorded on seismic arrays. We show that the eigenstructure of this matrix provides crucial information about the seismic wavefield degree of coherence, as a function of time and frequency. This information is important because it allows to identify the time and frequency zones where the Green's function quality is ensured. An original array-processing technique is finally proposed, which consider the equalization of the covariance matrix eigenvalues, to attenuate the wavefield anisotropy such as earthquake-related signals or directive noise sources. We interpret this last method as an extension of the spectral whitening technique widely used in seismology to the spatial dimension encoded by the covariance matrix. We also invoke the analogy with the time-reversal technique that have recently led to a class of passive inverse filtering techniques.; L’estimation des fonctions de Green par corrélation de bruit sismique ambiant repose entre autres sur l’hypothèse forte que les sources de bruit sont réparties de façon homogène dans le milieu. Or, les données sismiques réelles montrent que ces sources de bruit ne respectent pas ces conditions dans la plupart des cas. En particulier, les signaux très cohérents générés par des séismes tectoniques ou des sources de bruit directionnelles existent et sont néfastes à l’utilisation du bruit sismique en imagerie passive. Des techniques de traitement du signal temporelles et fréquentielles sont alors habituellement appliquées aux sismogrammes individuels afin d'améliorer la qualité de reconstruction des fonctions de Green. C'est dans la continuité des études visant à traiter les sismogrammes que ce travail s'inscrit. En s'inspirant de méthodes de traitement d'antenne, nous analysons la matrice de covariance de données enregistrées sur des réseaux de stations sismiques. À travers l'analyse des valeurs propres de cette matrice, nous montrons qu'il est possible de dégager des informations cruciales sur le champ d'onde mesuré, comme le degré de cohérence spatiale dans les dimensions temporelles et fréquentielles. Cette information est importante, car elle permet d'identifier les domaines temps-fréquence du champ d'onde propice à l'estimation des fonctions de Green. Finalement, une méthode d'égalisation des valeurs propres de la matrice de covariance visant à atténuer l'anisotropie des sources est proposée. Cette dernière méthode est interprétée comme une extension de la normalisation spectrale à la dimension spatiale, et également dans l'analogie du retournement temporel, au filtre inverse passif qui a vu le jour récemment.

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

The Hoggar region is known as one of the most important swells in the African continent. Its altitude culminates at 2908 m in the Tahat hill (Atakor). The Hoggar and other massifs of central Africa (Air, Eghei, Tibesti, Darfur, Cameroon mount, …) form a system of domal uplifts with similar scale, morphology and volcanic activity. The knowledge of the structure beneath the Hoggar swell will help us to understand the origin of continental swells. In order to get an image of the lithosphere in this region, we have performed a teleseismic field experiment. The 33 short-period seismic stations have been maintained for 2 1/2 month along a 700-km long NNW–SSW profile. This experiment crossed the Central Hoggar and extended northward into the In-Salah Sahara basin which is characterized by high heat flow values of deep origin. The high quality of the data recorded during this experiment allows us to perform a velocity inversion. The Hoggar appears to be characterized by lower mantle velocities. The anomalous zone extends from the upper lithosphere to the mantle. The weak velocity contrast is interpreted in agreement with gravity, geothermal and petrological data as due to extensive mantle modifications inherited from Cenozoic volcanic activity. It confirms that the Hoggar swell is not due to a large-scale uplift of hot asthenospheric materials but corresponds to a now cooled-off modified mantle. On the contrary, local low-velocity zones associated with the Atakor and Tahalra volcanic districts show that hot materials still exist at depths in relation with recent basaltic volcanism.

The velocity structure in the crest beneath the central Andes of northern Bolivia is obtained by the simultaneous inversion of local earthquake arrival-time data for velocity and hypocentral parameters. The data were recorded between October 1990 and February 1991 by the French "Lithoscope" network; the 34 vertical, short-period seismic stations were installed along a 320-km-long profile crossing two main morphological units of the Andean chain; the Altiplano and the Eastern Cordillera. The arrival times of seismic waves generated by earthquakes located in the subduction zone of the Nazca plate underneath the South American plate were inverted using a modified version of Thurber's 3-D iterative simultaneous inversion code. The results are consistent with the inversion of teleseismic travel-time residuals from the same network and closely correlate with the mapped surface geological features. The Altiplano Basin is characterized by a low-velocity zone down to 20 km, enclosed by the San Andres and Laurani faults. At the surface, the Cordillera Real fault zone (CRFZ) bounds to the west the high P-wave velocity anomaly lying under the axial zone of the Eastern Cordillera. The velocity discontinuity dips steeply to the southwest, to the bottom of the crust. From the velocity model, the depth of the Moho is estimated to be 66 km under the Altiplano. Moreover, the different behaviour of P- and S-waves found below the Western Cordillera and above the slab is consistent with the presence of partially melted asthenosphere that may be responsible for the magmatic activity. Finally, the seismicity defines, between 90 and 225 kin, a part of the slab dipping to the north-northeast with a low angle of about 30 ° .

The D" layer is one of Earth's most heterogeneous location, hosting poorly understood features, which are most likely linked to the global dynamics of the mantle. Present days tomographic approaches cannot resolve correctly this area. The resolution of images from Earth's inner structure is strongly linked to precisely localizing earthquakes, and to have a good knowlegde of the frequency content of seismic waves. This thesis aims at building a global database of seismic travel times, data used for the development of tomographic images. Our method uses a more precise determination of the depths of earthquakes, allowing an improvement in measuring travel times. To a better evaluation of the frequency content, these measurements are performed in several frequency bands. A new approach for the computation of corrections to the complexity of the crust is presented as well. Finally, a preliminary imaging is presented, at regional and global scale, under the approximation of the ray theory, before a more complete description under Born approximation.; La couche D" est une des zones les plus hétérogène de la Terre, abritant des structures mal comprises, probablement à l'origine de la dynamique globale du manteau. Les méthodes actuelles de tomographie sismique ne résolvent pas correctement cette région. La résolution des images de la structure interne de la Terre est fortement liée à la localisation précise des séismes, ainsi qu'à la connaissance du contenu fréquentiel des ondes sismiques. Cette thèse a pour objectif la construction d'une base de données globale de temps de trajet des ondes, mesures utilisées pour l'élaboration des images tomographiques. Notre méthode utilise une détermination plus précise de la profondeur des séismes permettant d'améliorer la mesure des temps de trajet. Pour une meilleure évaluation du contenu fréquentiel, ces mesures sont réalisées dans plusieurs gammes de fréquence. Une nouvelle approche de calcul de corrections visant à éliminer la complexité de la croûte est également présentée. Enfin, une imagerie préliminaire est présentée aux échelles régionale et globale sous l'approximation de la théorie des rais, avant une description plus complète par l'approximation de Born.

International audience; Relationship between the intensity of seismic shaking on the surface and the velocity structure of the medium at large depth is studied. The Spitak earthquake of December 7, 1988 is chosen as an object of study. A method to correlate the intensity of shaking in the localities to the geophysical parameters specified in the nodes of regular spatial grid is proposed. Formalized definition of anomalous intensity is suggested; it takes into account the distribution of distances from the localities with given intensity degrees to the hypo center or to the nearest segment of the surface fault. It is found that the seismic wave velocities at a depth of 1 km are higher (up to 0.2-0.6 km/s) under the localities with anomalously high intensity. No any certain reg ularity is found in deeper layers.

International audience; Here we assess the potential of the visco-acoustic frequency domain full-waveform inversion (FWI) to reconstruct P-wave velocity (VP) and P-wave attenuation factor (Q) from surface onshore seismic data. First, we perform a sensitivity analysis of the FWI based upon a grid search analysis of the misfit function and several synthetic FWI examples using velocity and Q models of increasing complexity. Subsequently, we applied both the acoustic and visco-acoustic FWI to real surface wide-aperture onshore seismic data from the Polish Basin, where a strong attenuation of the seismic data is observed. The sensitivity analysis of the visco-acoustic FWI suggests that the FWI can jointly reconstruct the velocity and the attenuation factor if the signature of the attenuation is sufficiently strong in the data. A synthetic example corresponding to a homogeneous background model with an inclusion shows a reliable reconstruction of VP and Q in the inclusion, when Q is as small as 90 and 50 in the background model and in the inclusion, respectively. A first application of acoustic FWI to real data shows that a heuristic normalization of the data with offset allows us to compensate for the effect of the attenuation in the data and reconstruct a reliable velocity model. Alternatively, we show that visco-acoustic FWI allows us to reconstruct jointly both a reliable velocity model and a Q model from the true-amplitude data. We propose a pragmatical approach based upon seismic modelling and source wavelet estimation to infer the best starting homogeneous Q model for visco-acoustic FWI. We find the source wavelet estimation quite sensitive to the quality of the velocity and attenuation models used for the estimation. For example, source-to-source wavelets are significantly more consistent when computed in the final FWI model than in the initial one. A good kinematic and amplitude match between the early-arriving phases of the real and time-domain synthetic seismograms computed in the final FWI model provides an additional evidence of the reliability of the final FWI model. We find the recovered velocity and attenuation models consistent with the expected lithology and stratigraphy in the study area. We link high-attenuation zones with the increased clay content and the presence of the mineralized fluids.

Joint inversions are now commonly used in Earth Sciences. They have been developed to better understand Earth structure since they provide more constraints on the inverted parameters. We propose a new process to simultaneously invert several data sets in order to better image 3-D crustal and upper mantle structures. Our inversion uses 3 kind of data which present a good complementarity : (1) P receiver functions to provide Moho depth variations, (2) teleseismic delay times of P waves to retrieve velocity anomalies in the crust and upper mantle, (3) gravity anomalies to image density variations at lithospheric scale. In our scheme, receiver functions are first inverted. The resulting Moho depths are then interpolated and incorporated as a priori information into the joint inversion of teleseismic delay times and gravity anomalies process. In our new approach, we perform a model space search for Moho variations, P-velocity and density structure to find acceptable fit to the three data sets. In order to preferentially sample the good data fit region, we chose the Neighborhood algorithm of Sambridge to optimistically survey the model space. We model the delay times with a 3-D raytracing using velocity nodes evenly spaced and linked with density nodes via a linear relationship. This relationship can evolve through depth, simulating its pressure dependance. We test our scheme on synthetic examples, and apply the method in a continental rifting region where deformation processes are complex and badly known. This joint inversion thus provides more constraints on the inverted parameters, and allows us to better image crust - mantle interactions in the case of the Hangai dome (Central Mongolia). Indeed, in this area, we expect an asthenospheric upwelling to dynamically support the topography, but we image a density - velocity anomaly in the lower crust. The effects on topography and the origin (composition vs. thermal) of this anomaly are still under debate., Les inversions conjointes sont maintenant communément utilisées en Sciences de la Terre. Elles ont été développées afin d'améliorer notre connaissance et compréhension de la structure interne de la Terre puisqu'elles apportent de plus en plus de contraintes sur les paramètres inversés. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau processus d'inversion conjointe qui prend en compte trois paramètres différents et qui mène à l'obtention d'un modèle lithosphérique tridimensionnel. Notre méthode utilise trois types de données gravimétriques et sismologiques qui présentent une bonne complémentarité : (1) Les fonctions récepteur P afin d'obtenir les variations de profondeur du Moho, (2) les délais de temps d'arrivées P des téléséismes pour retrouver les anomalies de vitesse dans la croûte et le manteau supérieur, (3) les anomalies gravimétriques qui donnent accès aux variations de densité à l'échelle lithosphérique. Dans le schéma d'inversion proposé, nous inversons d'abord les fonctions récepteur. Les variations de profondeur du Moho qui en résultent sont alors interpolées puis incorporées comme information a priori dans le processus d'inversion conjointe gravimétrie - tomographie télésismique. Que ce soit pour les fonctions récepteur ou pour la partie conjointe, notre méthode d'inversion se base sur un algorithme de recherche afin de trouver la structure qui minimise l'écart aux trois types de données. Nous avons opté pour l'algorithme de voisinage qui présente l'avantage de concentrer sa recherche dans les régions qui minimisent l'écart aux données sans toutefois abandonner les autres régions afin de limiter les risques de convergence vers un minimum local. Nous utilisons un modèle 3-D constitué de noeuds de vitesse afin de modéliser les délais de temps. Ces noeuds de vitesse sont liés aux noeuds de densité grâce à une relation linéaire entre vitesse et densité. Cette relation peut évoluer avec la profondeur de manière à simuler les effets dus aux variations de pression. Nous avons réalisé plusieurs tests synthétiques afin d'évaluer le comportement de notre nouvelle méthode. Ils ont permis de montrer que les variations du Moho ainsi que les anomalies de vitesse et densité sont bien retrouvées. Ils ont également montré l'importance de la prise en compte de ces trois types de données dans un même schéma d'inversion, notamment en ce qui concerne la faculté de discerner les variations d'interfaces des anomalies volumiques. Nous avons ensuite appliqué la méthode dans une région continentale en phase de rifting où les processus de déformation sont complexes et mal connus. Notre nouvelle méthode a apporté davantage de contraintes sur les paramètres inversés et a permis d'obtenir un modèle correctement résolu de la croûte et du manteau supérieur sous le dôme de Hangai (Mongolie Centrale). Une anomalie asthénosphérique sous le dôme est souvent invoquée pour expliquer sa topographie élevée mais c'est une anomalie (en vitesse et densité) crustale (croûte inférieure) qui s'exprime dans nos modèles. Ses effets sur la topographie et son origine (compositionnelle et/ou thermique) sont encore débattus et nécessiteraient des études plus poussées (paramétriques, VP =VS, ...).

The Northern Andean convergent margin, where the Nazca plate plunges below the South American plate, is characterized by a morphologic, structural and seismic segmentation. Four subduction earthquakes shook the Colombian-Ecuador segment during the last century: 1906, 1942, 1958 and 1979. To determine the lithosperic structure at the Colombia-Ecuador border, and define the spatial extension of some velocity heterogeneities associated with margin seismic behaviour, Geoazur designed the geophysical experiment Esmeraldas between March and April 2005. This thesis consists in obtaining a 3D velocity model of the area by tomographic inversion of first arrival traveltimes, picked from OBS and land stations. Our 3D tomographic image shows two remarkable structures in the margin, that seem to have an impact on the regional geodynamic: a low velocity gradient backstop and a low velocity zone. Both structures seem to be at the seaward limit of the 1958 earthquake rupture zone.; La marge convergente Nord-andine, où la subduction de la plaque Nazca sous la plaque Amérique du Sud a lieu, est caractérisée par une segmentation morphologique, structurale et sismique. Le segment qui correspond à la frontière entre la Colombie et l'Équateur a subi au cours du siècle dernier quatre grands séismes de subduction en 1906, 1942, 1958 et 1979. Afin de déterminer la structure lithosphérique à la frontière Colombie-Equateur et discuter de l'étendue spatiale de certaines hétérogénéités de vitesse imagées en 2D qui ont été associées au comportement sismique de la marge, une campagne sismique 3D a été réalisée, entre mars et avril 2005. Ce travail porte sur l'obtention d'un modèle tomographique 3D de vitesse de la zone de subduction à la frontière entre la Colombie et l'Équateur basé sur l'inversion des temps de premières arrivées des données de sismique réfraction. La tomographie 3D nous permet d'identifier deux structures particulières dans la marge, qui semblent jouer un rôle géodynamique important dans la région, un butoir à faible gradient de vitesse qui pourrait correspondre à une zone altérée de la marge par fracturation et percolation de fluides et une zone à faible vitesse entre 5 et 10 km de profondeur qui pourrait aussi marquer la présence de fluides. Ces deux structures semblent se trouver en relation géométrique avec la zone de rupture du séisme de 1958.

International audience; From a detailed seismic survey on a transform-like plate setting in Iceland, we propose a spatial relationship between highly deformed crustal columns and areas of low Vp/Vs ratio, which are best explained by high fluid pressures at the base of the seismogenic crust. Combined with geological observations, our seismic data suggest transient and local increases in crust permeability at specific highly dilating areas triggered by dynamical stresses from high-magnitude regional earthquakes. Fluids are then trapped at supercritical conditions in the deep brittle crust which, in turn, increases the capacity of the rocks to deform through cracking and faulting.

Traditional tomographic methods are based on seismic waves emitted by earthquakes. This limits the resolution of the images of the Earth's interior since large areas are free from earthquakes. In this manuscript we test a new approach that requires only noiserecords. Indeed, it has been shown that the cross-correlation of white noise recorded at two stations A and B is the Green's function between A and B, provided the noise is generated everywhere in the medium. This allows us to measure the velocity of seismic waves between any pair of stations. To test this new idea, we first explain why noise correlations yields the Green's function of the medium. Then we study the origin of the noise in 5-40s period band. In the third part, we assess the precision of surface wave velocity measurements from the noise correlations. Chapter 7 and 8 are devoted to the tomography of California and the Alps. In the last chapter, we show that our results can be improved by correlating the coda of the noise correlations., Les méthodes tomographiques habituellement employées en sismologie nécessitent des enregistrements de séisme. Or de larges zones sur Terre sont asismiques : faute de séisme nous ne pouvons les étudier avec une bonne résolution. Nous testons ici une approche radicalement différente : il s'agit d'imager la croute terrestre à partir d'enregistrements de bruit de fond sismique. En effet, la corrélation entre deux points A et B d'un bruit blanc généré en tout point du milieu est la fonction de Green complète du milieu entre A et B. On pourrait ainsi mesurer la vitesse des ondes sismiques entre n'importe quel couple de points de la surface. Nous présentons tout d'abord la théorie formalisant le lien entre corrélation de bruit et fonction de Green. Nous étudions ensuite l'origine du bruit de fond sismique sur la bande de période 5-40s afin de voir si il respecte ou non les exigences de la théorie. Après avoir évalué la précision des mesures de la vitesse des ondes de surface réalisées grace aux corrélations de bruit, nous étudions les Alpes. Enfin nous montrons que nos résultats peuvent etre amélioré enrecorrélant les corrélations.

International audience; A new three-dimensional delay traveltime tomography is performed to image the intermediate structure of the western Gulf of Corinth. A large data set, collected in 1991 during a two-month passive tomographic experiment, has been reanalysed for the reconstruction of detailed Vp and Vs images. An improved tomography method, based on an accurate traveltime computation, is applied to invert simultaneously delayed P and S first-arrival traveltimes for both velocity and hypocentre parameters. We perform different synthetic tests to analyse the sensitivity of tomography results to the model parametrization and to the starting 1-D model selection. The analysis of the retrieved Vp and Vs models as well as deduced Vp/Vs and Vp·Vs images allows us to interpret and delineate the distribution of lithological variation, porosity/crack content and fluid saturation in the upper 9–11 km of the crust beneath the gulf. The tomographic models image a rather complex crustal structure, which is characterized by a vertical change in both velocity features and seismicity distribution. We identify a shallower zone of the crust (0–5 km depth), in which velocity distributions seem to be controlled by the still active N–S extensional regime and a deeper zone (7–11 km depth), which matches the seismogenic zone. The correlation between this latter and a specific unit of the Hellenic mountain structure (the Pyllite–Quartzite series) allows us to suggest a possible explanation for seismicity concentration in a narrow band at 7–9 km depth. Finally, the occurrence of clusters showing low-angle normal fault mechanisms in areas characterized by high Vp/Vs values indicates a possible role of fluids in triggering brittle creep along the identified low-angle normal faults.

We present a detailed 3-D seismic velocity model for the upper crust, beneath the Erzincan Basin using tomographic inversion applied to the bodywave arrivals of the 1992 March 13 Erzincan earthquake (M-l = 6.9) aftershock sequence. High quality digital data collected by various institutions is used, consisting of 1240 hypocentres with rms errors less than 0.10 s, recorded by 25 stations on average. This provides a total of approximately 21 000 P- and 10 000 S-arrival times. The final solution is well constrained and reveals sharp boundaries bordering the basin. The shape of the basin is found to be deeper on the north and narrower at the eastern border. The velocity contrast related to the basin extends down to a depth of 3 km, but is hardly perceptible at 6 km and completely disappears at 9 km. The thickness of low-velocity unconsolidated soft sediments (V-p < 2000 m s(-1)) is estimated to be shallower than 3 km. The hypocentres were relocated using the inferred 3-D model and correlated with the fault segments that were observed in field studies. In addition to the main segment of the North Anatolian Fault (NAF), on the north of the basin, we identified a secondary faulted zone located along the southern border of the basin and merging with the Pulumur Fault Zone. We observed that this southern zone has a limited extension towards east (similar to 20 km) and therefore played only a minor role in the evolution of the basin. Despite the complex interaction between the North Anatolian Fault, the Ovaci k Fault and the Pulumur Fault Zone, it is clear that the Erzincan Basin has developed predominantly by the pull-apart mechanism. We conclude that the main continuation of NAF to the east is the branch on the north following the Euphrates valley, and constitutes, locally, the primary seismic hazard factor.

Les failles importantes en coulissage orientées NS comme la faille du Zendan-Minab-Palami (ZMP) et la faille de Borazjan-Kazerun-Dena séparent des styles différents de déformation au sud de l'Iran. Le ZMP sépare la zone de collision du Zagros à la zone de subduction du Makran. Nous utilisons des données microsismiques et téléséismiques enregistrées par un réseau temporaire de 50 stations qui a fonctionné en novembre et décembre 1999. La microsismicité observée dans cette région montre une activité diffuse entre la faille de Zendan-Minab-Palami et la faille de Jiroft, limitée par la dépression du Jaz-Murian. La distribution de la sismicité en profondeur montre que nos données sont localisées entre 15-35 km, plus profond que dans le Zagros et avec une augmentation des profondeurs vers le NE. L'analyse des mécanismes au foyer montre des mécanismes en coulissage dextre et des mécanismes en chevauchement de pendage faible distribués en profondeur. L'inversion des résidus des séismes locaux montre une anomalie de vitesse plongeant vers le N associée aux séismes. La tomographie téléséismique confirme une variation importante de la structure au passage de la faille zone de Zendan-Minab-Palami, rapide sous le Zagros, lente à proximité du ZMP, qui affecte toute la croûte et le manteau supérieur. L'analyse des fonctions récepteurs montre une structure complexe sous la zone de faille de Zendan-Minab-Palami avec des conversions dans la croûte supérieure à 15 km . En revanche l'interface observée pour la région du Makran se situe à 35 km profondeur. Un réseau temporaire de 29 stations sismologiques a fonctionné en avril et juin 2002 dans la région de Borujen située dans le Zagros nord , au nord du système Qatar-Kazerun. La distribution de la sismicité dans cette région est diffuse et suit approximativement la direction des structures tectoniques, la faille de Dena, d'Ardal (MRF) et le HZF. En revanche le MZT (Main Zagros Thrust) n'est pas sismiquement actif. La sismicité est localisée entre 2-16 km de profondeur et montre des alignements verticaux à proximité de la faille d'Ardal et la faille de Dena. L'analyse des mécanismes au foyer montre des mécanismes en décrochement et des mécanismes en chevauchement. L'étude de la structure de la croûte en utilisant la méthode des fonctions récepteurs montre une conversion claire à 60 km de profondeur sans aucune variation importante au passage de la faille de Dena., pas de résumé

New findings of the structure of the crust and the upper mantle across the Dead Sea rift and Israel were obtained by applying P and PKP wave relative travel time residuals inversion of 612 teleseisms, recorded by the seismic networks in Israel and Jordan. Independently of the relative teleseismic travel time residuals, the Bouguer gravity anomalies were used as an additional aid to examine the structure of the crust and upper mantle. An examination of the teleseismic travel time residuals in Israel suggests the existence of two prominent provinces of distinct crustal structure. The northward increase of the teleseismic travel time residuals is in good agreement with a gradual thickening of the sedimentary sequence and a simultaneous thinning of the crust. Examination of the inverted velocity anomalies indicates that the upper and lower crusts are sub-divided into a number of structures. We identify several velocity anomalies that are associated with prominent geological structures. The southern Dead Sea basin is characterized with the largest decrease of velocity, in both upper and lower crustal layers, due to the infilling of light material relative to the surrounding material. The velocity anomaly in the Carmel structure is probably associated with variations in the upper part of the upper mantle. Examination of a cross-section that traverses the Dead Sea transform supports the existence of lighter mass density material on the eastern side relative to that on the western side.

The location of seismicity induced by forced fluid flow provides information about domains of pore pressure variation: while changes in fluid content are identified through changes in seismic velocity. These effects have been investigated in the geothermal field of rrongona.n. which lies on a creeping portion of the Philippine Falllt on Levte Island. T,ocally, the left-lateral strike-slip Philippine Fa,ult branches out into three subparallel segments (Eastern, Central and Western Fault Lines). In June-Jnly 1997, a water stinlulation was undertaken in a well that intersects the Central F ault Line l980 m below grour~tl surface; 36,000 m3 were iriject,ed between the casing shoe at 1308 m and the well bottom at 2177 m. The seismicity was monitored with a surface station nctwork of 18 sta.iions. More than 400 events, induced by the injection cxpcrimcrlt as well as by r outine injections associated with the gcothcrrnal field exploitation, were recnrded in the vicinity of the well. They have been located througlr 3, sim~llt,aneol~s t,hr~e-dimensior ~d (3-D) velocity-hypocent,er invervior~ procedure. None of the microearthquakes are locateti along the Central Fault Line, they all occurred below the casing shoe to the east of thr farllt line; i.e.. within thc gcothcrmal reservoir and m ostly below thr bottom of the well. Results from the injcct,ion experiment and the 18 rnonths of seismic monitoring along thc C>erlt.ral and West Fa.uIt Lirics suggest an aseismic behavior of this major continental fa,~llt at this localion. The 3-D velocily n~odel, determirled lrorr~ thc lravel lirrle ir~versioll fur seismic erents observed during irUecLiu~~s, is cun~pared lo lhat ub1ai11t.d rrom seismic monitoring conducted prior to any injection activities. An increase of P wave velocity is observed during the water injection. 'This vclocitj- irlcrease is localized a-ilhin the seisrr~icily cloud and is interpreted as an increase in liquid content. within the initial liquid-vapor multiphase part of the reservoir. 3philipplne yalional oil c~~~~,~, E~~~~~ ~~\-~l~~,~~~~ cor~duct,ed ;l.r:ross

Along the Peru-Chile trench, the subduction of the Nazca Plate under South America is well underlined by the Wadati Benioff zone. In the Central Andes, the seismicity defines a moderately deepening slab down to about 325 km. The occurrence of a scarce seismicity in the 550–650 km depth range, after a complete seismic quiescence, raises the question of the continuity of the slab. To answer this question we performed a 3-D teleseismic tomography of the mantle at 20°S. On the tomographic image, a higher velocity zone is associated with the subducted plate where it is defined by the Wadati Benioff zone. At greater depth, this higher velocity body can be followed through the model down to the lower mantle. Our results provide clear evidence of the continuity of the slab throughout its seismically quiescent part. Moreover, they allow the imaging of the bending of the Nazca Plate in the Arica Elbow, where the general strike of the Andean chain changes and no deep seismicity has never been recorded. Finally, our results confirm the increase of the dip of the slab between 350 and 550 km in depth.

Les temps d'arrivées d'ondes P et S de séismes locaux ainsi que les ondes P de téléséismes ont été utilisés pour définir les modèles de vitesses (1D et 3D) pour la croûte et le manteau supérieur, sous les Andes équatoriennes. Comme dans les Andes Centrales boliviennes, sous les cordillères, les vitesses sont plus rapides qu'au niveau de la partie centrale des Andes, Altiplano en Bolivie et dépression interandine en Equateur, le moho étant plus profond sous ces zones. (Résumé d'auteur)

La sismicité naturelle a été observée au cours des mois d'août à octobre 1995 dans la région située au nord d'Antofagasta. Le réseau consiste en 35 stations à terre et en 9 OBS à proximité de la côte. La sismicité qui a suivi le grand tremblement de terre d'Antofagasta est extrêmement forte. Un catalogue contenant 4500 évènements enregistrés sur CD-ROM et les temps de propagation seront utilisés pour une étude de tomographie locale détaillée. (Résumé d'auteur)

Le long de la subduction Pérou-Chili, la subduction de la plaque de Nazca sous l'Amérique du Sud est bien soulignée par le plan de Wadati-Benioff. Dans les Andes Centrales, la sismicité définit une plaque modérément pentée jusqu'à une profondeur d'environ 325 km. L'observation de quelques séismes entre 550 et 650 km de profondeur après un silence sismique complet pose la question de la continuité de la plaque. Pour y répondre, nous avons effectué une tomographie télésismique du manteau à 20° S. L'image obtenue prouve clairement la continuité de la plaque subduite jusqu'au manteau inférieur, et nous permet de cartographier sa déformation dans le coude d'Arica. (Résumé d'auteur)

Un réseau temporaire de 41 stations lithoscope a été maintenu pendant 6 mois au nord Chili et en Bolivie, coupant la chaîne andine dans son intégralité à 20°S. Au cours de cette campagne, nous avons enregistré un grand nombre de séismes associés à la subduction de la plaque de Nazca sous le réseau. L'inversion de leur temps d'arrivée le long du profil doit nous permettre d'obtenir simultanément la position précise des hypocentres et des modèles de vitesse en onde P et en onde S de la croûte et du manteau au dessus de la subduction. (Résumé d'auteur)

Les durées de propagation d'ondes obtenues avec l'expérience sismologique PISCO'94 ont été inversées pour modéliser la structure 3D des vitesses de propagation dans la croûte et le manteau supérieur sous le Chili du Nord. La méthode est basée sur la technique "damped least squares". Dans le modèle calculé, deux des anomalies sismiques les plus importantes sont situées sous la Cordillère ouest et le long de la zone Wadati-Benioff. (Résumé d'auteur)