Traitement d'antenne et corrélation du bruit sismique ambiant : applications multi-échelles

The use of a large number of sensors is becoming more common in seismology at both the global scale for deep Earth studies, and at the exploration geophysics scale for monitoring and subsurface imaging. Seismic arrays require array processing from which new type of observables contribute to a better understanding of the wave propagation complexity. This thesis deals with a subset of these techniques. It first focuses on a way to select and identify different phases between two source-receiver arrays based on the double beamforming (DBF) method. At the exploration geophysics scale, the goal is to identify and separate low-amplitude body waves from high-amplitude dispersive surface waves. At the continental scale, as the source arrays are uncommon, the cross-correlation (CC) method of broadband ambient seismic noise can be used to evaluate the Green's function between two receiver arrays. The combination of DBF and CC is applied on Transportable Array (USArray) data to construct high-resolution phase velocity maps of Rayleigh and Love waves. Finally, at the global scale, by using a large number of sensors, it is shown that body waves can emerge form CC of continuous records in the 5-100s period band. We also analyze the contribution of strong earthquakes and particularly their long lasting reverberated coda. We compare it to the contribution to correlations of the continuous background sources associated with the ocean-crust interaction. The reconstructed body waves constitute a valuable supplement to traditional earthquake data to image and to monitor the structure of the Earth from its surface to the inner core.L'utilisation d'un grand nombre de capteurs sismiques est de plus en plus courant pour imager l'intérieur de notre planète depuis sa surface pour la prospection sismique, jusqu'à sa structure profonde avec la sismologie continentale et globale. L'application d'un traitement d'antenne aux enregistrements issus de réseaux de capteurs permet l'extraction de nouvelles observables et une meilleure compréhension de la propagation des ondes dans les milieux complexes. Parmi ces méthodes, on s'intéresse particulièrement aux traitements simultanés en émission-réception de type double formation de voies (DFV). A l'échelle de la prospection sismique, la DFV est utilisée pour extraire des ondes de volume pouvant être masquées par des ondes de surface plus énergétiques. A l'échelle continentale, les réseaux de sources étant plus rares, on propose d'appliquer la méthode DFV à des signaux reconstruits par corrélation du bruit sismique ambiant. De la même manière que pour un couple de stations, la corrélation d'enregistrements continus permet d'évaluer la fonction de Green entre deux antennes réceptrices. Cette méthode est appliquée à des données du réseau Transportable Array (USArray) afin de mesurer et cartographier la vitesse de phase des ondes de surface au centre des USA. Enfin à l'échelle globale, une combinaison de plusieurs grands réseaux sismologiques est utilisée pour démontrer que la corrélation d'enregistrements continus, dans la gamme de périodes, 5-100s permet la reconstruction des ondes de volume à des distances télésismiques. Une analyse de la contribution respective du bruit ambiant, d'origine océanique, et des séismes est réalisée. On montre que les arrivées tardives des forts séismes, réverbérées à l'intérieur du globe, contribuent de manière importante à la reconstruction des phases profondes. Les ondes de volume reconstruites à partir du bruit ambiant constituent une nouvelle source d'information, complémentaire aux données issues des séismes, et pouvant être utilisée pour imager notre planète