Geological structure, recharge processes and underground drainage of a glacierised karst aquifer system, Tsanfleuron-Sanetsch, Swiss Alps

The relationships between stratigraphic and tectonic setting, recharge processes and underground drainage of the glacierised karst aquifer system `Tsanfleuron-Sanetsch' in the Swiss Alps have been studied by means of various methods, particularly tracer tests (19 injections). The area belongs to the Helvetic nappes and consists of Jurassic to Palaeogene sedimentary rocks. Strata are folded and form a regional anticlinorium. Cretaceous Urgonian limestone constitutes the main karst aquifer, overlain by a retreating glacier in its upper part. Polished limestone surfaces are exposed between the glacier front and the end moraine of 1855/1860 (Little Ice Age); typical alpine karrenfields can be observed further below. Results show that (1) large parts of the area are drained by the Glarey spring, which is used as a drinking water source, while marginal parts belong to the catchments of other springs; (2) groundwater flow towards the Glarey spring occurs in the main aquifer, parallel to stratification, while flow towards another spring crosses the entire stratigraphic sequence, consisting of about 800 m of marl and limestone, along deep faults that were probably enlarged by mass movements; (3) the variability of glacial meltwater production influences the shape of the tracer breakthrough curves and, consequently, flow and transport in the aquifer.

Exotic terrains in the Alps - A solution for a single Jurassic ocean

The Brianconnais area is explained as a large scale exotic terrain separating from Europe during the opening of the Valais ocean. It's displacement history during the Alpine evolution allows to replace older concepts of multiple oceans separating narrow strips of continental crust.

Mesozoic oceanic terranes of southern Central America : geology, geochemistry and gedynamics

Abstract The Northwestern edge of the modern Caribbean Plate, located in central Middle America (S-Guatemala to N-Costa Rica), is characterized by a puzzle of oceanic and continental terranes that belonged originally to the Pacific façade of North America. South of the Motagua Fault Zone, the actual northern strike slip boundary of the Caribbean Plate, three continental slivers (Copán, Chortis s. str. and Patuca) are sandwiched between two complex suture zones that contain HP/LT mafic and ultramafic oceanic rocks: The Motagua Mélanges to the North, extensively studied in the last ten years and the' newly defined Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT) to the South. No modem geological data were available for the oceanic terrane located in the southern part of the so called continental "Chortis Block". Classically, the southern limit of this block with the Caribbean Large Igneous Province (CLIP) was placed at a hypothetical fault line connecting the main E-W fault in the Santa Elena Peninsula (N-Costa Rica) with the Hess Escarpment. However, our study in eastern Nicaragua and northwestern Costa Rica evidences an extensive assemblage of oceanic upper mantle and crustal rocks outcropping between the Chortis/Patuca continental blocks and the CLIP. They comprise collided and accreted exotic terranes of Pacific origin recording a polyphased tectonic history. We distinguish: 1- The MCOT that comprises a Late Triassic to Early Cretaceous puzzle of oceanic crust and arc-derived rocks set in a serpentinite matrix, and 2- The Manzanillo and Nicoya Terranes that are made of Cretaceous plateau-like rocks associated with oceanic sediments older than the CLIP. This study has been focused on the rocks of the MCOT. The MCOT comprises the southern half of the former "Chortis Block" and is defined by 4 comer localities characterized by ultramafic and mafic oceanic rocks of Late Triassic, Jurassic and Early Cretaceous age: 1- The Siuna Serpentinite Mélange (NE-Nicaragua), 2- The El Castillo Mélange (Nicaragua/Costa Rica border), 3- DSDP Legs 67 and 84 (Guatemala fore-arc basin), and 4- The Santa Elena Peridiotite (NW-Costa Rica). The Siuna Serpentinite Mélange (SSM) is a HP/LT subduction zone mélange set in a serpentinite matrix that contains oceanic crust and arc-related greenschist to blueschist/eclogite facies metamafic and metasedimentary blocks. Middle Jurassic (Bajocian-Bathonian) radiolarites are found in original sedimentary contact with arc-derived greenstones. Late Jurassic black detrital chert possibly formed in a marginal (fore-arc?) basin shortly before subduction. A phengite 40Ar/39Ar -cooling age dates the exhumation of the high pressure rocks as 139 Ma. The El Castillo Mélange (ECM) is composed of serpentinite matrix with OIB metabasalts and Late Triassic (Rhaetian) red and green radiolarite blocks. Recent studies of the DSDP Legs 67/84 show that the Guatemala/Nicaragua fore-arc basin is composed of a pile of ultramafic, mafic (OIB-like) and arc related rocks with ages ranging from Late Triassic to Campanian. Finally, the Santa Elena peridiotites that mark the limit of the MCOT with the Manzanillo/Nicoya Terranes and correspond to an association of ultramafic rocks that comprise peridiotites, dunites and chromites of abyssal and fore-arc origin. The SSM is the result of a collision between a Middle Jurassic island arc and the Patuca Terrane, a fragment of the Western N-American active continental margin. The Siuna Mélange (SSM) and the South Montagna Mélange share common characteristics with the Pacific N-American suture zone (E-Franciscan and Vizcaino mélanges), in particular, the Mesozoic ages of HP/LT metamorphic and the arc-derived blocks. For us, these mélanges imply an originally continuous, but slightly diachronous suture that affected the entire W-American active margin. It may imply the arrival and collision of an exotic intraoceanic arc (Guerrero-Phoenix) related to the origin of the Pacific Plate that initiated as a back arc basin of this arc. The present disposition of the fragments of this suture zone is the result of a northward shift of the active left-lateral strike slip motion between the N-American and the Caribbean Plates. Résumé Le coin nord-ouest de la Plaque Caraïbe moderne se trouve en Amérique Centrale, entre le sud du Guatemala et le nord du Costa Rica. Cette région est composée d'un puzzle de terrains océaniques et continentaux dont les origines se situent sur la façade pacifique de l'Amérique du Nord. Au sud de la faille de Motagua, la limite septentrionale actuelle, décrochante, de la Plaque Caraïbe, se trouvent 3 copeaux continentaux (Copàn, Chortis s. str. et Patuca) coincés entre deux zones de suture complexes à roches mafiques et ultramafiques qui ont subi un métamorphisme de haute pression/basse température (HP/LT). Il s'agit des Mélanges de Motagua au nord, largement étudiés ces dernières années, et du Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT), récemment défini par nous, au sud. En vue de l'absence de données géologiques modernes concernant les terrains océaniques qui se trouvent dans la partie sud du "Chortis Block" considérée comme continentale, nous avons dédié cette étude à cette région. Classiquement, la limite méridionale entre le "Chortis Block" et la "Caribbean Large Igneous Province" (CLIP) a été associée à une faille hypothétique reliant la faille E-W de Santa Elena (nord du Costa Rica) à l'Escarpement de Hess. Notre étude au Nicaragua oriental et au Costa Rica nord-occidental a révélé l'existence de larges terrains composés d'assemblages de roches mantéliques et océaniques qui se placent entre les blocs continentaux Chortis/Patuca et le CLIP. Ces assemblages révèlent des terrains collisionnés et accrétés d'origine pacifique enregistrant une histoire tectonique polyphasée. Nous distinguons: 1- Le MCOT, un puzzle de roches océaniques d'arc d'âge Triassique supérieur au Crétacée inférieur, 2- Les terrains de Manzanillo et de Nicoya, des morceaux de plateaux océaniques associés à des sédiments océaniques plus âgés que le CLIP. Cette étude se focalisera sur les roches du MCOT. Le MCOT occupe la moitié sud de l'ancien "Chortis Block" et peut se définir par 4 localités de référence qui montrent des roches mafiques et ultramafiques océaniques d'âges compris entre le Trias supérieur et le Crétacée inférieur. 1- Le Siuna Serpentinite Mélange (NE-Nicaragua), 2- Le El Castillo Mélange (Nicaragua/Costa Rica border), 3- Le DSDP Legs 67/84 (Guatemala fore-arc basin) et 4- La Santa Elena Peridiotite (nord-ouest du Costa Rica). Le Siuna Serpentinite Mélange (SSM) est un mélange de subduction HP/BT dans une matrice de serpentinite. On y trouve des éléments de croûte océanique et d'arc insulaire en faciès de schistes verts et schistes bleus. Des radiolarites du Jurassique moyen se trouvent en contact sédimentaire sur des roches vertes d'arc. En revanche, des cherts noirs détritiques datent du Jurassique supérieur et sont probablement issus d'un bassin marginal (fore-arc ?) peu avant leur subduction, car un âge 40Ar/39Ar de refroidissement des phengites date l'exhumation des roches de haute pression à 139 Ma. Le Mélange d'El Castillo (ECM) est constitué d'une matrice serpentinitique et contient des blocs de metabasaltes OIB et des blocs de radiolarites du Trias terminal. Des études récentes ont repris les roches forées lors des DSDP Legs 67 et 84 et montrent que le soubassement du bassin d'avant-arc du Guatemala-Nicaragua est composé de roches ultramafiques et mafiques (OIB et arc), dont les âges isotopiques vont du Trias au Crétacé supérieur. Finalement, les péridiotites de Santa Elena forment la limite sud du MCOT par rapport aux terrains de Manzanillo et Nicoya. Elles contiennent des serpentinites et localement des dunites et chromites à affinité abyssale et de fore-arc. Le SSM témoigne d'une collision entre un arc insulaire d'âge Jurassique moyen et le Patuca Terrane, un fragment de la marge active nord-américaine. Le SSM et le South Motagua Mélange ont des caractéristiques en commun avec les zones de suture de la façade pacifique de l'Amérique du nord (E-Franciscan et Vizcaino mélanges), notamment les âges Mésozoïques du métamorphisme HP/BT et les blocs de roches d'arc. Ce fait nous conduit à penser qu'il s'agit d'une grande zone de suture qui était à l'origine continue sur toute la marge ouest-américaine, mais légèrement diachrone. Cette suture implique l'arrivée et la collision d'un arc intraocéanique exotique (Guerrero-Phoenix) qui est à l'origine de la Plaque Pacifique qui s'ouvrait en back arc par rapport à celui-ci. La disposition actuelle des fragments de cette suture est due à la migration vers le nord du décrochement actif senestre entre la Plaque nord-américaine et la Plaque Caraïbe. K. Flores, 2009 Mesozoic oceanic terranes of southern central America Résumé Grand Public La présente thèse est le résultat de travaux de terrain effectués de 2005 à 2008 au nord-est et au sud du Nicaragua et au nord du Costa Rica, en Amérique Centrale, des analyses pétrologiques et géochimiques en laboratoire ainsi que de la modélisation de l'évolution géodynamique. La région étudiée se situe en bordure nord - ouest de la Plaque Caraïbe moderne. Dans la majorité des publications récentes cette région est représentée comme un vaste bloc continental (le "Bloc Chortis") qui serait limité, (i) au nord, par la faille décrochante de Motagua, la limite actuelle entre la Plaque Nord-Américaine et la Plaque Caraïbe, et (ii) au sud, par une suture hypothétique qui se trouverait aux confins entre le Nicaragua et le Costa Rica. La région du Costa Rica a été considérée presque entièrement comme une partie du Plateau Caraïbe ("Caribbean Large Igneous Province" (CLIP)). L'étude détaillée des affleurements nous a permis de mettre en évidence : - Au nord-est du Nicaragua (Siuna) : Des roches océaniques datées du Jurassique moyen, grâce aux faunes à radiolaires qui ont été extraites des radiolarites rouges. Ces roches ont subi un métamorphisme de haute pression typique des zones de collision. L'étude radio-isotopique Ar/Ar a permis de dater la collision du Crétacé basal (139 Ma). - Au sud du Nicaragua : Des roches océaniques d'âge Trias terminal (200 millions d'années), également datées à l'aide de faunes à radiolaires. Il s'agit actuellement des roches océaniques les plus anciennes connues de l'Amérique Centrale. - L'étude géochimique et les âges des fossiles démontrent que le tiers septentrional du Costa Rica possède un soubassement construit d'au moins deux terrains (Nicoya et Manzanillo), qui ont des caractéristiques de Plateau océanique (Nicoya) et d'arc volcanique du Crétacé moyen (Manzanillo). Ces deux terrains sont plus anciens que le CLIP. En conclusion, nous constatons que la région étudiée est constituée d'un puzzle de 3 blocs continentaux et d'un vaste terrain océanique composite que nous appelons Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT). En plus, nous définissons les terrains de Nicoya et de Manzanillo comme plus âgés et distincts du CLIP. Le MCOT est caractérisé par la présence de roches du manteau supérieur (les serpentinites) et de la croûte océanique, ainsi que des morceaux d'arcs, d'âge allant du Trias supérieur au Crétacé. Ce terrain est comparable à d'autres zones de suture de la façade pacifique de l'Amérique du nord, notamment en ce qui concerne les âges Mésozoïques, le métamorphisme de haute pression et l'association de roches mantéliques et crustales océaniques. Ce fait nous conduit à penser qu'il s'agit d'une grande zone de suture qui était à l'origine continue sur toute la marge ouest-américaine. Cette suture implique l'arrivée et la collision d'un arc infra-océanique exotique qui serait à l'origine de la Plaque Pacifique qui se serait ouverte en bassin d'arrière arc par rapport à celui-ci. La disposition actuelle des fragments de cette suture est due à la migration vers le nord du décrochement actif senestre entre la Plaque nord-américaine et la Plaque Caraïbe.

Trace element distribution among rock-forming minerals from metamorphosed to partially molten basic igneous rocks in a contact aureole (Fuerteventura, Canaries)

Low pressure partial melting of basanitic and ankaramitic dykes gave rise to unusual, zebra-like migmatites, in the contact aureole of a layered pyroxenite-gabbro intrusion, in the root zone of an ocean island (Basal Complex, Fuerteventura, Canary Islands). These migmatites are characterised by a dense network of closely spaced, millimetre-wide leucocratic segregations. Their mineralogy consists of plagioclase (An(32-36)), diopside, biotite, oxides (magnetite, ilmenite), +/-amphibole, dominated by plagioclase in the leucosome and diopside in the melanosome. The melanosome is almost completely recrystallised, with the preservation of large, relict igneous diopside phenocrysts in dyke centres. Comparison of whole-rock and mineral major- and trace-element data allowed us to assess the redistribution of elements between different mineral phases and generations during contact metamorphism and partial melting. Dykes within and outside the thermal aureole behaved like closed chemical systems. Nevertheless, Zr, Hf, Y and REEs were internally redistributed, as deduced by comparing the trace element contents of the various diopside generations. Neocrystallised diopside - in the melanosome, leucosome and as epitaxial phenocryst rims - from the migmatite zone, are all enriched in Zr, Hf, Y and REEs compared to relict phenocrysts. This has been assigned to the liberation of trace elements on the breakdown of enriched primary minerals, kaersutite and sphene, on entering the thermal aureole. Major and trace element compositions of minerals in migmatite melanosomes and leucosomes are almost identical, pointing to a syn- or post-solidus reequilibration on the cooling of the migmatite terrain i.e. mineral-melt equilibria were reset to mineral-mineral equilibria. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Early Jurassic to Early late Cretaceous radiolarians from the Santa Rosa accretionary complex (Northwestern Costa Rica)

In the circum-Pacific ophiolitic belts, when no other biogenic constituents are found, radiolarians have the potential to provide significant biostratigraph- ic information. The Santa Rosa Accretionary Complex, which crops out in several half-windows (Carrizal, Sitio Santa Rosa, Bahia Nancite, Playa Naranjo) along the south shores of the Santa Elena Peninsula in northwestern Costa Rica, is one of these little-known ophiolitic mélanges. It contains various oceanic assemblages of alkaline basalt, radiolarite and polymictic breccias. The radiolarian biochronology presented in this work is mainly based by correlation on the biozonations of Carter et al. (2010), Baumgartner et al. (1995b), and O'Dogherty (1994) and indicate an Early Jurassic to early Late Cretaceous (early Pliensbachian to earliest Turonian) age for the sediments associated with oceanic basalts or recovered from blocks in breccias or megabreccias. The 19 illus- trated assemblages from the Carrizal tectonic window and Sitio Santa Rosa contain in total 162 species belonging to 65 genera. The nomenclature of tecton- ic units is the one presented by (Baumgartner and Denyer, 2006). This study brings to light the Early Jurassic age of a succession of radiolarite, which was previously thought to be of Cretaceous age, intruded by alkaline basalts sills (Unit 3). The presence of Early Jurassic large reworked blocks in a polymictic megabreccia, firstly reported by De Wever et al. (1985) is confirmed (Unit 4). Therefore, the alkaline basalt associated with the radiolarites of these two units (and maybe also Units 5 and 8) could be of Jurassic age. In the Carrizal tectonic window, Middle to early Late Jurassic radiolarian chert blocks associ- ated with massive tholeitic basalts and Early Cretaceous brick-red ribbon cherts overlying pillow basalts are interpreted as fragments of a Middle Jurassic oceanic basement accreted to an Early Cretaceous oceanic Plate, in an intra-oceanic subduction context. Whereas, the knobby radiolarites and black shales of Playa Carrizal are indicative of a shallower middle Cretaceous paleoenvironment. Other remnants of this oceanic basin are found in Units 2, 6, and 7, which documented the rapid approach of the depocentre to a subduction trench during the late Early Cretaceous (Albian-Cenomanian), to possibly early Late Cretaceous (Turonian).

Trace element chemistry and U-Pb dating of zircons from oceanic gabbros and their relationship with whole rock composition (Lanzo, Italian Alps)

The U-Pb ages and the trace element content of zircon U-Pb along with major and trace element whole rock data on gabbroic dikes from the Lanzo lherzolitic massif, N-Italy, have been determined to constrain crustal accretion in ocean-continent transition zones. Three Fe-Ti gabbros were dated from the central and the southern part of the massif providing middle Jurassic ages of 161 +/- 2, 158 +/- 2 and 163 +/- 1 Ma, which argue for magmatic activity over few millions of years. Zircon crystals are characterized by high but variable Th/U ratios, rare earth element patterns enriched in heavy rare earths, pronounced positive Ce and negative Eu-anomalies consistent with crystallization after substantial plagioclase fractionation. The zircon trace element composition coupled with whole rock chemistry was used to reconstruct the crystallization history of the gabbros. A number of gabbros crystallized in situ, and zircon precipitated from trapped, intercumulus liquid, while other gabbros represent residual liquids that were extracted from a cumulus pile and crystallized along syn-magmatic shear zones. We propose a model in which the emplacement mechanism of gabbroic rocks in ocean-continent transition zones evolves from in situ crystallization to stratified crystallization with efficient extraction of residual liquid along syn-magmatic shear zones. Such an evolution of the crystallization history is probably related to the thermal evolution of the underlying mantle lithosphere.

Carbon-isotope stratigraphy and ammonite faunal turnover for the Middle Jurassic in the Southern Iberian palaeomargin

Variations in the stable carbon-isotope ratio of marine and continental sediments can reflect changes in sink and flux modifications of the palaeocarbon cycle. Here we report carbon-isotope compositions of Middle Jurassic marine carbonates from the Betic Cordillera (southern Spain), which represents an ideal region to link the stable carbon-isotope curves directly to ammonite zones and subzones, and thereby for the first time achieve an accurate chronostratigraphic calibration. The five sections studied represent basin and high swell deposits of the Southern Iberian palaeomargin. We find a similar delta C-13 of carbonates between different oceanic areas, suggesting a homogeneous carbon-isotope oceanic reservoir through the Middle Jurassic. The Aalenian-Bajocian transition is a critical period in ammonite evolution; hence the Early Jurassic fauna are replaced by new ammonite families which become dominant throughout the Middle and Late Jurassic. For this reason, we compared the delta C-13 values of carbonates with ammonite diversity and extinction rates at different taxonomical levels in order to explore the possible relationship between the carbon cycle and ammonite evolution. The carbon-isotope values of carbonates are not exactly linearly correlated with the extinction rate and ammonite diversity, but the main faunal turnovers follow minimum delta C-13 values, where extinct taxa are replaced by new ones. Likewise, radiation episodes are associated with increasing delta C-13 values and with transgressive sea-level rise. All these data support the idea that perturbations in the global carbon cycle reflect rapid palaeoenvironmental changes. We made detailed analyses of these faunal turnovers, using them as a proxy to identify major palaeoenvironmental crises in their ecosystems forced by modification in the carbon cycle. (c) 2006 Elsevier B.V All rights reserved.

Seismic characterization of heterogeneous sedimentary and fractured rocks based on Biot's theory of poroelasticity

Understanding and quantifying seismic energy dissipation, which manifests itself in terms of velocity dispersion and attenuation, in fluid-saturated porous rocks is of considerable interest, since it offers the perspective of extracting information with regard to the elastic and hydraulic rock properties. There is increasing evidence to suggest that wave-induced fluid flow, or simply WIFF, is the dominant underlying physical mechanism governing these phenomena throughout the seismic, sonic, and ultrasonic frequency ranges. This mechanism, which can prevail at the microscopic, mesoscopic, and macroscopic scale ranges, operates through viscous energy dissipation in response to fluid pressure gradients and inertial effects induced by the passing wavefield. In the first part of this thesis, we present an analysis of broad-band multi-frequency sonic log data from a borehole penetrating water-saturated unconsolidated glacio-fluvial sediments. An inherent complication arising in the interpretation of the observed P-wave attenuation and velocity dispersion is, however, that the relative importance of WIFF at the various scales is unknown and difficult to unravel. An important generic result of our work is that the levels of attenuation and velocity dispersion due to the presence of mesoscopic heterogeneities in water-saturated unconsolidated clastic sediments are expected to be largely negligible. Conversely, WIFF at the macroscopic scale allows for explaining most of the considered data while refinements provided by including WIFF at the microscopic scale in the analysis are locally meaningful. Using a Monte-Carlo-type inversion approach, we compare the capability of the different models describing WIFF at the macroscopic and microscopic scales with regard to their ability to constrain the dry frame elastic moduli and the permeability as well as their local probability distribution. In the second part of this thesis, we explore the issue of determining the size of a representative elementary volume (REV) arising in the numerical upscaling procedures of effective seismic velocity dispersion and attenuation of heterogeneous media. To this end, we focus on a set of idealized synthetic rock samples characterized by the presence of layers, fractures or patchy saturation in the mesocopic scale range. These scenarios are highly pertinent because they tend to be associated with very high levels of velocity dispersion and attenuation caused by WIFF in the mesoscopic scale range. The problem of determining the REV size for generic heterogeneous rocks is extremely complex and entirely unexplored in the given context. In this pilot study, we have therefore focused on periodic media, which assures the inherent self- similarity of the considered samples regardless of their size and thus simplifies the problem to a systematic analysis of the dependence of the REV size on the applied boundary conditions in the numerical simulations. Our results demonstrate that boundary condition effects are absent for layered media and negligible in the presence of patchy saturation, thus resulting in minimum REV sizes. Conversely, strong boundary condition effects arise in the presence of a periodic distribution of finite-length fractures, thus leading to large REV sizes. In the third part of the thesis, we propose a novel effective poroelastic model for periodic media characterized by mesoscopic layering, which accounts for WIFF at both the macroscopic and mesoscopic scales as well as for the anisotropy associated with the layering. Correspondingly, this model correctly predicts the existence of the fast and slow P-waves as well as quasi and pure S-waves for any direction of wave propagation as long as the corresponding wavelengths are much larger than the layer thicknesses. The primary motivation for this work is that, for formations of intermediate to high permeability, such as, for example, unconsolidated sediments, clean sandstones, or fractured rocks, these two WIFF mechanisms may prevail at similar frequencies. This scenario, which can be expected rather common, cannot be accounted for by existing models for layered porous media. Comparisons of analytical solutions of the P- and S-wave phase velocities and inverse quality factors for wave propagation perpendicular to the layering with those obtained from numerical simulations based on a ID finite-element solution of the poroelastic equations of motion show very good agreement as long as the assumption of long wavelengths remains valid. A limitation of the proposed model is its inability to account for inertial effects in mesoscopic WIFF when both WIFF mechanisms prevail at similar frequencies. Our results do, however, also indicate that the associated error is likely to be relatively small, as, even at frequencies at which both inertial and scattering effects are expected to be at play, the proposed model provides a solution that is remarkably close to its numerical benchmark. -- Comprendre et pouvoir quantifier la dissipation d'énergie sismique qui se traduit par la dispersion et l'atténuation des vitesses dans les roches poreuses et saturées en fluide est un intérêt primordial pour obtenir des informations à propos des propriétés élastique et hydraulique des roches en question. De plus en plus d'études montrent que le déplacement relatif du fluide par rapport au solide induit par le passage de l'onde (wave induced fluid flow en anglais, dont on gardera ici l'abréviation largement utilisée, WIFF), représente le principal mécanisme physique qui régit ces phénomènes, pour la gamme des fréquences sismiques, sonique et jusqu'à l'ultrasonique. Ce mécanisme, qui prédomine aux échelles microscopique, mésoscopique et macroscopique, est lié à la dissipation d'énergie visqueuse résultant des gradients de pression de fluide et des effets inertiels induits par le passage du champ d'onde. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons une analyse de données de diagraphie acoustique à large bande et multifréquences, issues d'un forage réalisé dans des sédiments glaciaux-fluviaux, non-consolidés et saturés en eau. La difficulté inhérente à l'interprétation de l'atténuation et de la dispersion des vitesses des ondes P observées, est que l'importance des WIFF aux différentes échelles est inconnue et difficile à quantifier. Notre étude montre que l'on peut négliger le taux d'atténuation et de dispersion des vitesses dû à la présence d'hétérogénéités à l'échelle mésoscopique dans des sédiments clastiques, non- consolidés et saturés en eau. A l'inverse, les WIFF à l'échelle macroscopique expliquent la plupart des données, tandis que les précisions apportées par les WIFF à l'échelle microscopique sont localement significatives. En utilisant une méthode d'inversion du type Monte-Carlo, nous avons comparé, pour les deux modèles WIFF aux échelles macroscopique et microscopique, leur capacité à contraindre les modules élastiques de la matrice sèche et la perméabilité ainsi que leur distribution de probabilité locale. Dans une seconde partie de cette thèse, nous cherchons une solution pour déterminer la dimension d'un volume élémentaire représentatif (noté VER). Cette problématique se pose dans les procédures numériques de changement d'échelle pour déterminer l'atténuation effective et la dispersion effective de la vitesse sismique dans un milieu hétérogène. Pour ce faire, nous nous concentrons sur un ensemble d'échantillons de roches synthétiques idéalisés incluant des strates, des fissures, ou une saturation partielle à l'échelle mésoscopique. Ces scénarios sont hautement pertinents, car ils sont associés à un taux très élevé d'atténuation et de dispersion des vitesses causé par les WIFF à l'échelle mésoscopique. L'enjeu de déterminer la dimension d'un VER pour une roche hétérogène est très complexe et encore inexploré dans le contexte actuel. Dans cette étude-pilote, nous nous focalisons sur des milieux périodiques, qui assurent l'autosimilarité des échantillons considérés indépendamment de leur taille. Ainsi, nous simplifions le problème à une analyse systématique de la dépendance de la dimension des VER aux conditions aux limites appliquées. Nos résultats indiquent que les effets des conditions aux limites sont absents pour un milieu stratifié, et négligeables pour un milieu à saturation partielle : cela résultant à des dimensions petites des VER. Au contraire, de forts effets des conditions aux limites apparaissent dans les milieux présentant une distribution périodique de fissures de taille finie : cela conduisant à de grandes dimensions des VER. Dans la troisième partie de cette thèse, nous proposons un nouveau modèle poro- élastique effectif, pour les milieux périodiques caractérisés par une stratification mésoscopique, qui prendra en compte les WIFF à la fois aux échelles mésoscopique et macroscopique, ainsi que l'anisotropie associée à ces strates. Ce modèle prédit alors avec exactitude l'existence des ondes P rapides et lentes ainsi que les quasis et pures ondes S, pour toutes les directions de propagation de l'onde, tant que la longueur d'onde correspondante est bien plus grande que l'épaisseur de la strate. L'intérêt principal de ce travail est que, pour les formations à perméabilité moyenne à élevée, comme, par exemple, les sédiments non- consolidés, les grès ou encore les roches fissurées, ces deux mécanismes d'WIFF peuvent avoir lieu à des fréquences similaires. Or, ce scénario, qui est assez commun, n'est pas décrit par les modèles existants pour les milieux poreux stratifiés. Les comparaisons des solutions analytiques des vitesses des ondes P et S et de l'atténuation de la propagation des ondes perpendiculaires à la stratification, avec les solutions obtenues à partir de simulations numériques en éléments finis, fondées sur une solution obtenue en 1D des équations poro- élastiques, montrent un très bon accord, tant que l'hypothèse des grandes longueurs d'onde reste valable. Il y a cependant une limitation de ce modèle qui est liée à son incapacité à prendre en compte les effets inertiels dans les WIFF mésoscopiques quand les deux mécanismes d'WIFF prédominent à des fréquences similaires. Néanmoins, nos résultats montrent aussi que l'erreur associée est relativement faible, même à des fréquences à laquelle sont attendus les deux effets d'inertie et de diffusion, indiquant que le modèle proposé fournit une solution qui est remarquablement proche de sa référence numérique.