Caractérisation sismique de sites hétérogènes à partir de méthodes actives et passives : variations latérales et temporelles

Shear wave velocity (Vs) is an elastic parameter characterizing the stiffness of super- ficial formations. It is important both in applied seismology, for site effect or liquefaction estimation, and in civil engineering, for landslide investigation. This PhD work deals with the different seismic techniques available for deriving Vs values from ten to hundred meters depth. It aims at evaluating the capabilities of the different methods and defining a site characterization strategy adapted to their complexity. The first part of the work is devoted to the assessment of the surface wave inversion reliability for horizontally stratified medium. In collaboration with other European laboratories, active and passive seismic methods were applied at 20 European strong motion sites for which Vs profiles are known from borehole investigations. Comparison of results show that Vs profiles derived from surface (active and passive) seismics are similar for soft sites (Vs30 < 600 m/s) to those derived from borehole methods but present lower velocities for stiffer sites. Moreover, the information contained in dispersion curves appeared to be sufficient for EC8 site characterization. On the basis of the measured Vs profiles, a theoretical study on Rayleigh wave fundamental mode inversion was undertaken for sites with a strong contrast. A two step inversion procedure allowing bedrock depth estimation during the inversion process was defined on synthetic cases and successfully applied to horizontally layered real sites. More complex geometries are addressed in the second part. The inversion of dispersion curves obtained from active (synthetics and real data) and passive (synthetics) seismics over a dipping interface resulted in Vs profiles with a velocity gradient and misestimated bedrock depth and/or velocity. A procedure for detecting 2D/3D sites was defined from data of the 20 strong motion sites and of the Avignonet landlside (Isere, France). Based on active (seismogram, lateral spectrogram, dispersion curve comparison) and passive (shape of the H/V ratio, lateral variation of the H/V frequency peak) seismics, this procedure aims at adapting the choice of imaging technique during site characterization. In the third part, the ambient noise cross-correlation technique is applied to the Avignonet landslide. Thirteen seismological stations were settled on site during two weeks, and a tomographic inversion of arrival times measured with cross-correlation resulted in Rayleigh wave group velocity frequency maps. Their inversion allowed 3D Vs imaging of the landslide, down to 100 m depth. Finally, the evolution with time of ambient noise cross-correlations computed between two permanent stations on the landslide suggests a slight decrease in velocity over the three years of recordings. These results enlighten the usefulness of cross-correlation techniques for 3D investigation of smooth heterogeneous sites and for landslide monitoring.La vitesse des ondes de cisaillement (Vs) est un parametre elastique permettant de caracteriser la compacite des formations superficielles. Il joue un role essentiel aussi bien en sismologie appliquee, dans l'estimation des effets de site ou du potentiel de liquefaction des sols, qu'en geotechnique pour la reconnaissance des glissements de terrain. Ce travail de these s'interesse aux differentes techniques sismiques permettant d'obtenir les valeurs de Vs a l'echelle de la dizaine a la centaine de metres de profondeur. Il vise a evaluer les capacites de ces methodes et a definir une strategie de reconnaissance des sites en fonction de leur complexite. La premiere partie du travail est consacree a l'evaluation de la fiabilite de l'inversion des ondes de surface pour des milieux stratifies horizontalement. En collaboration avec d'autres laboratoires europeens, les methodes de sismique active et passive ont ete appliquees sur 20 sites accelerometriques europeens pour lesquels des profils verticaux de Vs etaient disponibles a partir d'essais en forage. La comparaison des resultats montre que les profils de Vs obtenus par les techniques sismiques de surface sont comparables a ceux deduits des methodes en forage pour les sites mous (Vs30 < 600 m/s) mais fournissent des vitesses plus faibles pour les sites compacts. De plus, l'information fournie par les courbes de dispersion obtenues est apparue suffisante pour la caracterisation des sites selon la classification EC8. Sur la base des profils Vs mesures, une etude theorique sur l'inversion de la courbe de dispersion du mode fondamental de Rayleigh a ete realisee pour des sites presentant un contraste marque entre socle et sediments. Une strategie d'inversion en deux etapes, permettant de contraindre la profondeur du substratum durant l'inversion, a ete definie sur des cas synthetiques et a ete appliquee avec succes sur des cas reels stratifies horizontalement. Le cas de sites de geometrie plus complexe est aborde dans la deuxieme partie. L'inversion des courbes de dispersion obtenues par sismique active (donnees synthetiques et reelles) et passive (donnees synthetiques) au-dessus d'une interface en pente a fourni des profils de vitesse presentant un gradient de vitesse et une mauvaise estimation des vitesse et/ou profondeur du demi-espace. Une procedure a ete definie afin de detecter les sites 2D/3D, a partir des donnees des 20 sites accelerometriques europeens et des donnees du glissement de terrain d'Avignonet (Isere, France). Cette procedure, basee sur les observables de la sismique active (sismogrammes, spectrogramme spatial, comparaison de courbes de dispersion) et de la sismique passive (forme du rapport H/V, variations laterales de la frequence du pic H/V), vise a adapter le choix des techniques d'imagerie lors de la caracterisation de site. Dans la troisieme partie, la technique d'inter-correlation du bruit ambiant est appliquee au glissement de terrain d'Avignonet. Treize stations sismologiques ont ete deployees durant deux semaines sur le site et une inversion tomographique des temps d'arrivees mesures par inter-correlation a fourni des cartes frequentielles de vitesse de groupe des ondes de Rayleigh. L'inversion de ces donnees a permis d'obtenir une image 3D en Vs du glissement de terrain jusqu'a 100 m de profondeur. Enfin, l'evolution avec le temps des correlations calculees entre 2 stations permanentes sur le glissement suggere une legere diminution de la vitesse sismique au cours des trois ans d'enregistrement. Ces resultats montrent l'interet des techniques d'inter-correlation du bruit ambiant pour la reconnaissance tridimensionnelle de milieux heterogenes et le suivi temporel de l'activite des glissements de terrain