Parcours Natural Geological Hazards and Risks 1re et 2e années

Le but de ce cours est de couvrir les principes fondamentaux du traitement des données numériques pour des applications pratiques en géophysique. L'accent est mis sur la représentation et l'analyse des séries temporelles, telles que les signaux sismiques, même si les concepts peuvent être transposés à tout signal numérique unidimensionnel. Un objectif majeur du cours est d'illustrer certains des nombreux pièges et problèmes que les futurs géophysiciens peuvent rencontrer lors de l'analyse des signaux.

Le cours couvrira 4 chapitres (24h):
(1) Représentation des données et les transformées fondamentales
(2) Convolution, corrélation, et théorie de l'échantillonnage
(3) Le filtrage
(4) Méthodes et outils avancés

Une part importante du temps sera consacrée à des travaux pratiques sur ordinateur (d'une durée de 4 heures), qui couvriront tous les principaux sujets (28h): Transformée de Fourier et échantillonnage, convolution et corrélation, mesures des retards temporels/déphasages, filtres, analyse temps-fréquence et FK).

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The scope of this course is to cover the fundamentals of numerical data processing for practical applications in geophysics. The main emphasis is on the representation and analysis of time series, such as seismic signals, even though the concepts can be transposed to any single dimension numerical signal. One major aim of the course is to illustrate some of the many pitfalls and problems that future geophysicists can come across when analyzing signals.

The course will cover 4 chapters (about 24h)
(1) Data representation and fundamental transforms
(2) Convolution, correlation, and theory of sampling
(3) Filtering
(4) Advanced methods and tools

A significant amount of time will be dedicated to (4h-long) practicals on computers (28h), which will cover all the main topics: Fourier transform and sampling, convolution and correlation, measurements of time delays/phase shifts, filters, time-frequency analysis and FK).

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L’atelier de rentrée vise à mettre en perspective votre projet professionnel et la variété des sciences de la terre, en s’appuyant sur des conférences, les soutenance des stages courts de la promotion précédente, et 3 jours de terrain introductif.

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Ce module est destiné à acquérir et approfondir les bases de la programmation informatique et des environnements informatiques qui seront utilisés pendant toute la durée du master. Il est constitué de 6 heures de cours et de 18 heures de travaux pratiques sur ordinateur. Les séances pratiques s'adaptent au niveau de chaque étudiant.

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This module is intended to acquire and deepen the basics of computer programming and computer environments that will be used throughout the Master's programme. It consists of 6 hours of lectures and 18 hours of practical work on computers. The practical sessions are adapted to the level of each student.

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L’objectif du cours est de fournir aux étudiants.e.s, dès le début du Master, des outils pour identifier et récupérer des données géophysiques dans les systèmes internationaux de distribution de données, et d'appliquer quelques traitements simple sur les données. Les 3 types de données sont a) les données sismologiques, et leur application pour la localisation des séismes ; b) les données GNSS (Global Navigation Satellite System) ; c) les données sur le champ magnétique terrestre, avec une application sur la reconstruction du champ magnétique à la surface du noyau terrestre. Les Travaux Pratiques forment le cœur du module, et sont préparés à travers de cours d’introduction sur chacun des trois domaines. Prérequis : Connaissance de base sur la terre interne et les séismes et/ou des ondes et champs physiques. Langue : Anglais

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The objective of the course is to provide students, from the beginning of the Master's degree, with tools to identify and retrieve geophysical data from international data distribution systems, and to apply some simple processing on the data. The 3 types of data are a) seismological data, and their application to earthquake location; b) GNSS (Global Navigation Satellite System) data; c) Earth's magnetic field data, with an application to the reconstruction of the magnetic field at the surface of the Earth's core. The practical work on applications forms the core of the module, and is prepared through introductory courses in each of the three areas. Requirements: Basic knowledge on the Solid Earth and/or Waves and potential fields. Language: English

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L’objectif de cet enseignement est de transmettre des connaissances théoriques et des compétences pratiques sur la gestion des risques majeurs en France, avec un accent sur les risques naturels. Les étudiants disposeront dès lors des compétences et connaissances nécessaires pour comprendre les enjeux voire mettre en œuvre les plans de gestion réglementaires (PPR, PCS, information préventive, surveillance et observation), tout en disposant d’éléments sur les approches et outils alternatifs existant en matière de prévention (information préventive), de gestion (gestion intégrée des risques naturels, gestion de crise opérationnelle) et de retour d’expérience (notamment approches participatives et liées aux réseaux sociaux numériques). L’UE alterne entre cours (22h) et session pratiques (18h), parmi lesquelles une sortie de terrain.

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UE ouverte aux M1 et M2, semestre 7 années impaires

Ce cours porte sur les interactions et les relations de rétroaction entre la tectonique et les processus de surface contrôlés par le climat, avec un accent particulier sur l'évolution des ceintures de montagnes telles que les Alpes, les Andes ou l'Himalaya. Dans ce contexte, les échelles de temps sur lesquelles les processus géologiques façonnent la surface de la Terre sont d'une grande importance. Par conséquent, la détermination de la chronologie et la quantification des processus géologiques à l'aide d'un large éventail de techniques de datation sont au cœur de ce cours dans le but de modéliser l'évolution du paysage. La moitié du cours sera basée sur des exercices pratiques, des études de cas et des présentations, afin que les étudiants participent activement à l'enseignement de ce cours. Le cours sera en anglais.

This course is on the interactions and feedback relationships between tectonics and climatically controlled surface processes, with a particular emphasis on evolution of mountain belts such as the Alps, Andes or Himalayas. In this context, the timescales on which geological processes shape the surface of the Earth are of great importance. Therefore, the determining the timing and quantifying geological processes through wide range dating techniques are at the core of this course with the objective of modelling landscape evolution. Half of the course will be based on practical exercises, case studies and presentations, so that the students will actively participate in the teaching of this course.The course will be in English.

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Le cours de géomécanique applique les principes de la mécanique des milieux continus à des problèmes concrets de la Terre Solide.

Le module est articulé par un va-et-vient entre :

- un cours complet présentant les bases de géomécanique, ce qui permet une remise à niveau pour les étudiants n'ayant jamais abordé la mécanique des milieux continus,

- de nombreux exemples d'application issus d'études réelles, géotechniques aussi bien que géodynamiques. La vaste base d'exercice permet aux étudiants ayant déjà les bases de mécanique de s'exercer à la lecture de données et à appliquer la démarche géomécanique de façon plus appliquée que dans leur cursus antérieur.

Ainsi, au sortir du module les étudiants devraient avoir de solides bases en

- mécanique des milieux continus

- l'utilisation et la mesure des propriétés élastiques des matériaux

- l'emploi de critère de rupture pour jauger de la stabilité mécanique d'un structure : phénomènes de friction et de fracturation.

Evaluation :

Un CC à mi-parcours comptant pour 50% de la note

Un examen terminal comptant pour 50% de la note

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The geomechanics course applies the principles of continuum mechanics to concrete problems of the Solid Earth.

The module is articulated by a back-and-forth between:

- a complete course presenting the basics of geomechanics, which allows a refresher for students who have never studied continuum mechanics,

- numerous application examples from real studies, both geotechnical and geodynamic. The large exercise base allows students who already have the basics of mechanics to practice reading data and applying the geomechanical approach in a more applied way than in their previous course.

Thus, at the end of the module, students should have a solid foundation in

- mechanics of continuous media

- the use and measurement of elastic properties of materials

- the use of failure criteria to gauge the mechanical stability of a structure: friction and fracturing phenomena.

Evaluation:

A mid-term CC counting for 50% of the grade

A final exam accounting for 50% of the grade

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Ce cours est une introduction à l'utilisation de méthodes de prospection géophysique basiques (sismique réfraction, soundage électrique, cartographie EM). Un effort est fait vers le traitement et l'acquisition des données sur le terrain et surtour leur interprétation en termes géologiques et hydrologiques dans des milieux simples.

This course is an introduction to the use of basic geophysical prospecting methods (seismic refraction, electrical sounding, EM mapping). An effort is made towards the processing and acquisition of data in the field and especially their interpretation in geological and hydrological terms in simple environments.

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Préparer l’étudiant aux métiers visés par la formation, autant les métiers de chercheur que ceux de chargés d’étude dans le privé. Formulation d’un CV, entraînement aux entretiens d’embauche, la structuration d’une publication scientifique et d'un rapport d'études, la connaissance des outils de recherche et de mise en forme d’une publication, un enseignement sur le fonctionnement des bureaux d’étude et de la législation en vigueur font partie de cette préparation. Nous insistons sur le fait que les futurs thésards ou ceux qui entrent directement dans le monde du travail doivent connaître les deux mondes.

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Le cours de physique des ondes a pour but de donner aux étudiant-e-s les connaissances théoriques nécessaires à l'étude de la propagation des ondes pour la géophysique. Le cours traite des notions suivantes :
- Propagation d'ondes acoustiques dans les fluides, en milieux infinis et bornés (ondes guidées)
- Fonctions de Green dans les fluides
- Propagation d'ondes élastiques dans les solides
- Lois de réfraction, principe de Huygens, diffraction de Khirkchoff
- Ondes de Rayleigh, de Love, de Lamb, de Scholte, de Stoneley

Le cours est illustré par des travaux pratiques permettant la mise en application de ces notions :
- Mesure et inversion de la propagation d'onde de Lamb
- Ondes stationnaires dans un tube de Kundt
- Imagerie ultrasonore

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The wave physics course aims to provide students with the theoretical knowledge necessary to study wave propagation for geophysics. The course covers the following concepts
- Propagation of acoustic waves in fluids, in infinite and bounded media (guided waves)
- Green's functions in fluids
- Propagation of elastic waves in solids
- Laws of refraction, Huygens' principle, Khirkchoff's theory of diffraction
- Rayleigh, Love, Lamb, Scholte, Stoneley waves

The course is illustrated by practical work allowing the application of these concepts:
- Measurement and inversion of Lamb wave propagation
- Standing waves in a Kundt's tube
- Ultrasonic imaging

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Cette UE propose un tour guidé de l’intérieur de la Terre, de la croûte jusqu’au noyau. On y présente les principaux observables et outils d’investigations de l’intérieur de la Terre (sismologie, minéralogie, thermique, géochimie, gravité, géomagnétisme) que l’on utilise pour décrire et expliquer les processus en jeux (formation de la croûte, tectonique des plaques et convection mantellique, génération du champ magnétique). Une approche historique est souvent privilégiée : l’accent est mis sur la construction et l’évolution de notre compréhension de la structure interne de la Terre et de son fonctionnement, en explicitant les découvertes et avancées conceptuelles ayant menées à notre vision actuelle du fonctionnement de la Terre. Le déroulement de l’UE inclut deux séances de présentations par groupes d’articles historiques ou récents.

Langue d'enseignement : Anglais

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This course offers a guided tour of the Earth's interior, from the crust to the core. The main observables and tools for investigating the Earth's interior (seismology, mineralogy, heat transfer, geochemistry, gravity, geomagnetism) are presented and used to describe and explain key processes (crust formation, plate tectonics and mantle convection, magnetic field generation). A historical approach is often privileged: the emphasis is put on the construction and evolution of our understanding of the internal structure of the Earth and its behaviour, by presenting the discoveries and conceptual advances that have led to our current vision of the Earth. The course includes two sessions of group presentations of historical or recent papers.

Teaching language: English

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Le module « Introduction au risque sismique » aborde les notions élémentaires pour l’évaluation de l’aléa et du risque sismique, et en présente les grandes problématiques, depuis le mouvement des plaques tectoniques et les ruptures sur les failles jusqu’aux mouvements du sol en surface et leur prise en compte dans la réglementation parasismique. Ce module abordera notamment les notions de déformation active, de vitesse de glissement et de chargement des failles, d’occurence des séismes, des caractéristiques de la rupture sismique, de propagation d’ondes dans la croûte terrestre et de modification des mouvements du sol par la géologie de surface. Le module abordera également l’ensemble des méthodes statistiques nécessaires la quantification de l’aléa sismique et du risque (quantification des incertitudes, lois de distribution, processus aléatoires, etc.). L’introduction de ces notions de base seront essentielles aux modules de M2 Active Faults et M2 Engineering seismology qui sont des modules plus avancés. 

Langue d’enseignement: anglais

Pré-requis: Notions de base en sismologie.

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The "Introduction to Seismic Risk" module introduces the basic concepts for assessing seismic hazard and risk assessement, and presents the main scientific issues and methods, from the movement of tectonic plates and faults rupturing to surface ground motions and their accounting for in seismic regulations. This module will address the concepts of active deformation, slip velocity and fault loading, earthquakes occurrence, seismic rupture characteristics, wave propagation in the earth's crust and modification of ground motions by surface geology. The module will also cover all the statistical methods necessary for the quantification of seismic hazard and risk (quantification of uncertainties, distribution laws, random processes, etc.). Introduction of these basic concepts are essential to the M2 Active Faults and M2 Engineering seismology modules which are more advanced courses.

Pre-requisites: basics of seismology

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Description: L’objectif de ce module est d’apporter les connaissances de base d’une part sur la physique des processus magmatiques et éruptifs se produisant dans les volcans et d’autre part sur les principales méthodes d’étude et de surveillance volcanologique. En particulier, les forces et les paramètres contrôlant le transport et le stockage de magma des zones de production vers la surface seront expliqués et illustrés à l’aide de TD. Dans le cadre de l’étude des dynamismes éruptifs, seront abordées les différents modes d'éruptions des produits volcaniques (panache, coulée pyroclastique, dôme, coulée de lave) et leurs mécanismes physiques. Les méthodes géophysiques de surveillance les plus utilisées (sismologie, déformation, étude des émissions de gaz) seront présentées en montrant leurs contributions à la prédiction des éruptions et à la connaissance des processus volcaniques. Les différentes méthodes de télédétection employées dans ce domaine (imagerie optique, thermique, radar) seront décrites en insistant sur les spécificités de ces techniques pour leurs applications à la volcanologie et à la surveillance. Pré-requis: Aucun. Langue d'ensignement: Anglais

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The aim of this module is to provide a basic understanding of the physics of magmatic and eruptive processes occurring in volcanoes and of the main methods of volcanological study and monitoring. In particular, the forces and parameters controlling the transport and storage of magma from the production zones to the surface will be explained and illustrated with the help of tutorials. In the context of the study of eruptive dynamics, the different modes of eruption of volcanic products (plume, pyroclastic flow, dome, lava flow) and their physical mechanisms will be discussed. The most commonly used geophysical monitoring methods (seismology, deformation, gas emission studies) will be presented, showing their contribution to the prediction of eruptions and the knowledge of volcanic processes. The different remote sensing methods used in this field (optical, thermal and radar imagery) will be described, with emphasis on the specificities of these techniques for their application to volcanology and monitoring. Teaching language: English.

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L’objectif de ce module est d’apporter une connaissance approfondie des méthodes opérationnelles de surveillance utilisées dans les observatoires volcanologiques et des principes de la gestion des crises volcaniques. Les diverses approches mises en œuvre pour évaluer l’aléa volcanique seront étudiées : cartographie des produits éruptifs, reconstitution de l’histoire éruptive, méthodes probabilistes et déterministes de prédiction des éruptions. Des TD/TP portant sur l’interprétation en temps réel des signaux géophysiques (sismicité, déplacements de surface…) seront proposés. Ce module s’appuiera sur les retours d’expériences des crises volcaniques récentes.

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Cet enseignement est une introduction à l'évaluation des risques naturels gravitaires, dispensé par 6 intervenants professionnels:
- Aléas (mouvements de terrain, avalanches, crues et laves torrentielles) : compréhension des processus, méthodes de détection, caractérisation.
- Risques : notions de gestion des risques en fonction des enjeux ; approches qualitatives et quantitatives.
- Ouvrages de protection : principes généraux des dispositifs de protection contre les différents aléas, éléments de dimensionnement.

L'UE inclut des cours, un TD-jeux de rôle et une sortie terrain.

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Ce cours est une introduction à l'utilisation de méthodes de prospection géophysique basiques (sismique réfraction, soundage électrique, cartographie EM). Un effort est fait vers le traitement et l'acquisition des données sur le terrain et surtour leur interprétation en termes géologiques et hydrologiques dans des milieux simples.

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This course is an introduction to the use of basic geophysical prospecting methods (seismic refraction, electrical sounding, EM mapping). An effort is made towards the processing and acquisition of data in the field and especially their interpretation in geological and hydrological terms in simple environments.

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Introduction théorique et pratique à l’observation de la Terre depuis l’espace et aux Systèmes d’Information Géographique (SIG). Analyse, traitement avec le logiciel libre QGIS. Les cours sont associés à des TP en salle informatique sur le logiciel QGIS. A cela s'ajoute la réalisation d'un projet (parmi une liste de sujets proposés par les enseignants) en petit groupe d'étudiants, pour lequel les étudiants peuvent être aidés par un enseignant durant trois séances de 3h en salle informatique.

La structure du cours est la suivante :

la première partie est commune à tous les étudiants (de janvier à février, jusqu'au vacances d'hiver)

+ Introduction aux SIG
+ introduction aux bases de la télédetection
+ Méthodes de classification

La deuxième partie du cours dépend du parcours suivi par les étudiants :

Pour les parcours de type Terre Solide :

+ Télédétection et SIG appliqués à la géologie.
+ Télédétection et SIG appliqués à la géophysique
+ Télédétection et SIG appliqués aux surfaces continentales
+ Télédétection et SIG appliqués à la planétologie

Pour les parcours de type Enveloppe Fluide :

+ Télédétection et SIG appliqués aux surfaces continentales/
+ Télédétection et SIG appliqués aux Modèle Numérique de Terrain :
+ Télédétection et SIG appliqués à l'atmosphère.
+ Télédétection et SIG appliqués à l'océan.

Dans cette deuxième partie, en parallèle de ces enseignements, les étudiants font un projet personnel en petit groupe pour avec un encadrement sur 3 séances de 3h (soit 9h).

L'évaluation se fera sur la base d'un rendu écrit sur le projet et d'un examen écrit final couvrant l'ensemble des cours et des TP.

Prérequis recommandés : Licence en sciences.

Langues d’enseignement: Anglais.

This course offers a broad and practical introduction to Earth Observation from space and to Geographic Information System (GIS). The course works on a basis of 3h lecture associated to 3h of practical class using the free software QGIS. In addition, student have to do a project in small group (2-3 students) using QGIS, for which they can have support from an instructor during 3 sessions of 3h each in computer room.

The structure of the courses is the following:

The first part is common to all the students

+ Introduction to GIS
+ Basics of Remote Sensing
+ Classification methods

The second part of the course depends of the program followed by the students:

for Geophysics, Geodynamics, Georesources and Geohazards programs:

+ Remote-Sensing and GIS applied to geology
+ Remote-Sensing and GIS applied to geophysics
+ Remote-Sensing and GIS applied to continental surfaces
+ Remote-Sensing and GIS applied to planetology

for Hydro-resources and Atmosphere-Climate-Continental Landmass programs:

+ Remote-Sensing and GIS applied to continental surfaces
+ Remote-Sensing and GIS applied to Digital Elevation Surface
+ Remote-Sensing and GIS applied to atmosphere
+ Remote-Sensing and GIS applied to Ocean.

During the second part of the course, student have to do a project in small group (2-3 students) using QGIS, for which they can have support from an instructor during 3 sessions of 3h each in computer room.

Evaluation will be based on a written report about the project, and a final written exam covering all the lectures and practicals.

Language(s) : English

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Dans tous les domaines scientifiques (économie, santé, physique, chimie,...), nous mesurons/collectons des données ou des observations et essayons de les comprendre et de les interpréter.
Pour interpréter ces données complexes, nous proposons des modèles "simples", par exemple :

- en météorologie, les données sont la température, l'humidité, etc, les modèles sont une collection de boîtes/cellules reliées par des relations physiques.
- en sciences de la terre, les données sont collectées par des satellites, des instruments au sol, et les modèles proposent une vue simplifiée de la dynamique terrestre.

Dans le premier cas, nous sommes plus intéressés par les données (quelles sont les prévisions pour la semaine prochaine ?) que par le modèle (cellules),
Dans le second cas, nous nous intéressons à l'interprétation des données plutôt qu'aux données elles-mêmes.

La relation modèle->données est appelée le problème direct, l'inverse est appelé le problème inverse.

Résoudre un problème inverse revient à répondre à la question suivante : Étant donné certaines données, comment pouvons-nous retrouver le modèle et les paramètres qui les expliquent ?

Le cours explore la résolution de problèmes d'inversion linéaires et la manière de résoudre de manière itérative des problèmes inverses non linéaires.
Nous nous appuyons sur un minimum de théorie et utilisons des applications numériques

prérequis: des bases d'algèbre linéaire (vecteur, matrice, transposé, produit scalaire,...) et une experience minimum de programmation python (ou matlab)

language: français ou anglais

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In every fields of science (economy, health, physics, chemistry,..), we measure/collect data or observations and try to understand and interpret them.
To interpret these complex data, we propose "simple" models, for example:

- in meteorology, data are temperature, humidity, etc, models are collection of boxes/cells linked through physical relationships.
- in earth-science, data are collected from satellites, ground instruments, and models propose a simplified view of earth dynamic

In the first case we are more interested in the data (what is the forecast for next week?) than in the model (cells),
In the second case we focus on the interpretation of the data rather than the data themselves.

The relation model->data is called the direct problem, the reverse is called the inverse problem.

Solving an inverse problem is answering the question: Given some data, how can we retrieve the model and parameters that explain them?

The course explores the solution of linear inversion problems and how to solve iteratively non linear inverse problems.
This is done by using a light theoretical background and playing on computer with applications.

prerequisite: basic knowledge of linear algebra (vector, matrices, transposition, dot product, etc...), some python (or matlab) programming experience

Language: english or french

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Ce module propose l'application pratique des connaissances acquises dans le module "Geophysical observation of the Earth" dans les disciplines de la sismologie et de la géodésie spatiale par GNSS (Global Navigation Satellite Systems). Il s'agit de s'approprier l'ensemble de la chaîne de la mesure GNSS: la prise en main du récepteur, le déploiement de la station GNSS avec un centrage précis de l'antenne réceptrice des signaux GNSS, le déchargement et le formattage des données acquises. L'analyse de ces données avec un logiciel open source permettra d'atteindre une précision du positionnement de quelques mm. La cible des mesures sera un glissement de terrain dans le Trièves. Nous quantifierons son taux de déplacement en combinant les mesures effectuées avec les observations des années précédentes.

Pour la sismologie, il s'agira de déployer une station sismologique classique complétée par des instruments de nouvelle génération de type 'nodes' et éventuellement fibre optique, technique DAS. Nous aborderons les questions du choix de site en fonction des conditions de bruit ambiant, d'installation précise du capteur, de datation des données par GPS et de récupération de données télémétrées. La cible des mesures sera le même glissement de terrain dans le Trièves. Nous étudierons les approches sismologiques pour caractériser à la fois les propriétés sismiques de ce glissement et leur évolution temporelle.

Prérequis: avoir suivi le module "Geophysical Observation of the Earth" au semestre 1

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This module proposes the practical application of the knowledge acquired in the module "Geophysical observation of the Earth" in the disciplines of seismology and space geodesy by GNSS (Global Navigation Satellite Systems). The aim is to master the entire GNSS measurement chain: handling the receiver, deploying the GNSS station with precise centring of the antenna receiving the GNSS signal, downloading and formatting the acquired data. The analysis of these data with an open source software will allow to reach a positioning accuracy of a few mm. The target of the measurements will be a landslide in the Trièves region. We will quantify its rate of displacement by combining the measurements taken with observations from previous years.
For seismology, we will deploy a classic seismological station completed by new generation instruments of the 'nodes' type and possibly fibre optics, DAS technique. We will address the issues of site selection according to ambient noise conditions, precise sensor installation, GPS data dating and remote data recovery. The target of the measurements will be the same landslide in the Trièves region. We will study seismological approaches to characterise both the seismic properties of this landslide and their temporal evolution.

Prerequisite: having followed the module "Geophysical observation of the Earth" in S1

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L'objectif de ce cours est de comprendre les principes et la mise en application des méthodes de machine learning (apprentissage automatique, une des branches de l'intelligence artificielle) dans le cadre des géosciences. Pour cela, nous introduirons les concepts, les principaux usages en géosciences (détection/compréhension de phénomènes naturels à partir d'imagerie satellitaire, de séries temporelles, etc), les principaux problèmes traités (Régression, classification et apprentissage non-supervisé) ainsi que les principales méthodes (forêts aléatoires, PCA..). Pour finir, nous introduirons de façon succinte les méthodes d'apprentissage profond (deep learning).

Le but premier de ce cours est de savoir utiliser par soi-même ces outils, de comprendre les principaux verrous, mais aussi d'en comprendre les limites. Pour cela, le module s'appuie sur 12h de TP en langage Python.

Pré-requis:
Notions de base en programmation Python, ainsi qu'en mathématiques.

Langues: Anglais, Français

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The objective of this course is to understand the principles and the application of machine learning methods (one of the branches of artificial intelligence) in the context of geosciences. To do so, we will introduce the concepts, the main uses in geosciences (detection/understanding of natural phenomena from satellite imagery, time series, etc.), the main problems addressed (regression, classification and unsupervised learning) as well as the main methods (random forests, PCA..). Finally, we will briefly introduce deep learning methods.

The main goal of this course is to know how to use these tools by oneself, to understand the main problems, but also to understand their limits. For this, the module is based on 12 hours of practical work in Python.

Pre-requisites:
Basic knowledge of Python programming and mathematics.

Languages: English, French

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L'objectif de ce module est d'acquérir les principes des méthodes de base du calcul scientifique et de leur implémentation dans des codes informatiques. Les méthodes sont présentées de façon simplifiée en insistant sur les idées qui les portent, puis elles sont mises en oeuvre dans des programmes informatiques (en python ou matlab) sur des exemples simples en lien avec les géosciences.

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The objective of this module is to acquire the principles of the basic methods of scientific computing and their implementation in computer codes. The methods are presented in a simplified way, insisting on the ideas behind them, then they are implemented in computer programs (in Python or Matlab) on simple examples related to geosciences.

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Au cours des années 60 à 90, de nombreuses études ont mis en évidence la sismicité déclenchée par les différents types de production de géo-ressources (exploitation minière, extraction de pétrole et de gaz, endiguement de réservoirs, production géothermique, approvisionnement en eau) et ont examiné les processus de déclenchement possibles. Un demi-siècle plus tard, les principaux défis pour la communauté des chercheurs restent d'être capable d'estimer où, quand, combien de temps durera la séquence de sismicité induite, et quelle est la taille maximale possible du séisme. Afin de répondre à ces questions, ce module revisite les études de cas liées à chaque type d'exploitation de géo-ressources en sélectionnant les cas où la sismicité et la déformation avant le début de l'exploitation sont documentées, et l'historique de la production est connu. Sur cette base, chacun des styles d'exploitation des géo-ressources est (i) analysé en termes de déformation induite et de sismicité observées et (ii) des modèles mécaniques des changements de contraintes induites associées dans le temps et l'espace sont présentés. Un accent particulier sera mis sur la répartition de la déformation entre la réponse plastique lente et la rupture sismique fragile en fonction du contexte géomécanique local (cadre tectonique, taux de forçage local, conditions limites).
Outre ces analyses globales, des outils permettant d'extraire des modèles de séries temporelles pour ces séquences de sismicité d'origine humaine seront définis à l'aide de lois statistiques sismologiques standard dans les domaines du temps, de l'espace et de la taille (par exemple, la distribution de la fréquence et de la taille, le déclenchement des répliques, etc.) Ces modèles et les lois dont ils découlent seront utilisés pour comparer les séquences de sismicité induite aux séquences de séismes tectoniques réguliers et à l'historique de la production. Certaines implications et applications pour la surveillance de la production seront discutées.

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During the 60'-90' numerous studies pinpointed on the evidence for seismicity triggered by the different types of geo-resource productions (mining, oil and gas extraction, reservoir impoundment, geothermal production, water supply) and discussed the possible triggering processes.  Half a century later, the key challenges for the research community remain to be able to estimate where, when, how long will the induced seismicity sequence last, and what is the maximum possible earthquake size. In order  address these  questions,  this module revisits case studies related to each type of geo-resource exploitations by selecting the cases where the seismicity and deformation before the exploitation onset are documented, and the production history is known. On such a basis, each of geo-resource exploitation styles are  (i) analyzed  in term of observed induced deformation and seismicity  and (ii) mechanical models of the associated induced stress changes over time and space are presented. A specific focus on the partitioning of the deformation between slow plastic response and brittle seismic failure will be developed as a function of the local geo-mechanical context (tectonic setting, local forcing rate, boundary conditions).

Apart from such these global analyses, tools to extract patterns of time series for these human induced seismicity sequences will be defined using standard statistical seismology law in time space and size domains (e.g. frequency size distribution, aftershocks triggering, ...). These patterns and laws they derive from, will be used to compare the induced seismicity sequences  both to the regular tectonic earthquake sequences and to the production history. Some implications-applications for production monitoring will be discussed.

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L'objectif de cette UE est d'apporter les notions fondamentales de l'étude des mouvements de terrain, qui peuvent avoir des caractéristiques (vitesses, tailles, mécanismes, géologie) et des forçages (précipitations, séismes, actions anthropiques, déglaciation, érosion ...) très variés. Une part importante du cours consiste à illustrer l'usage des méthodes d'observation et de caractérisation (géodésie, télédétection, sismologie, géophysique, géomorphologie, datations cosmogéniques) de l'activité gravitaire, ainsi que la modélisation de la propagation des glissements, puis à les utiliser sous forme de mini-projets.
Ce cours se base donc largement sur la pratique d'outils et l'étude de cas de glissements de terrain actifs et anciens, avec des visites sur site.

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Le module «Engineering Seismology», ou sismologie de l’ingénieur, a pour objectif de fournir aux étudiants un panorama des problématiques et des méthodes les plus récentes pour l’estimation quantitative de l’aléa et du risque sismique. Ce module requiert des connaissances de base en sismologie. Il approfondit ces domaines spécifiques: l’émission des ondes sismiques à la source du séisme, la propagation et l’atténuation des ondes dans la croûte terrestre, leur amplification dans les sols superficiels (effets de site), les méthodes de prédiction empiriques (fonctions de Green, GMPE/GMM «ground-motion models») et numériques des mouvements forts (avec un accent particulier sur les incertitudes), l’estimation de l’aléa sismique probabiliste à partir de modèles de récurrence de séismes (PSHA «probabilistic seismic hazard assessment»), la vulnérabilité des bâtiments à la secousse sismique et leur réponse dynamique, les spécificités du milieu urbain. Le module aborde ces domaines avec une approche physique (compréhension, mesure et quantification des phénomènes) mais aussi avec une approche réglementaire (prise en compte de ces phénomènes dans les normes parasismiques, microzonage).

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This unit aims to learn the most recent methods used to assess ground motion caused by earthquakes, characterize shallow structures for seismic response analysis, or assess seismic hazard, seismic vulnerability and seismic risk in urban areas. The unit is organized in the form of a project to develop one of the abovementioned topics. The basic notions are first introduced in the “Engineering Seismology” lectures (wave propagation, fault rupture mechanisms, empirical and numerical ground motion prediction, non-invasive methods for characterizing shallow ground structure, ground-motion parameters used in earthquake engineering, structural dynamics applied to seismology, seismic vulnerability, structural health monitoring).

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Cette UE vise à développer l’approche multi-disciplinaire de l’étude des glissements de terrain. Pour cela, différentes méthodes seront utilisées et combinées : géophysique, géologie, hydrologie, géodésie, etc. L’objectif est de parvenir à intégrer ces données multi-sources pour mieux comprendre la structure et/ou l’évolution de glissements de terrain. Cette UE se déroulera sous la forme de projet(s).

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Les failles actives sont celles qui produisent des séismes. Leur connaissance est donc un prérequis à toute analyse de l'aléa sismique. L'objectif du cours sur les failles actives est de familiariser les étudiants avec ces structures, et d'établir les liens et les propriétés communes entre les failles géologiques à long terme et les ruptures sismiques instantanées. Nous commençons par rappeler quelques bases en mécanique des roches et des fractures qui permettent de comprendre pourquoi la croûte terrestre et la lithosphère se rompent par des failles et des séismes. Nous verrons ensuite sur quels critères les failles les plus actives peuvent être identifiées dans la morphologie de surface. Les outils modernes permettant une telle identification sont décrits. Nous montrons que les failles sont des éléments organisés qui forment des systèmes hiérarchiques à plus grande échelle, dont la géométrie apporte des informations sur l'évolution, la cinématique et la mécanique des failles à long terme. La cinématique et l'évolution à long terme peuvent ensuite être quantifiées plus précisément à l'aide de données telles que la géomorphologie et la géochronologie. Nous discutons de ces méthodes de quantification, des hypothèses sur lesquelles elles reposent, de leurs implications en termes de taux de glissement des failles à long terme, de taille et de temps de récurrence des séismes, etc... Ensuite, nous revenons aux ruptures sismiques, que nous analysons avec un "œil géologique" (analyse des paramètres statiques). Ce faisant, nous soulignons les différences et les similitudes entre les ruptures sismiques et les failles à long terme, et nous discutons des propriétés des failles qui contrôlent le plus le comportement des séismes. Nous caractérisons également le comportement des failles au cours d'un cycle sismique unique, puis de plusieurs cycles sismiques, et nous présentons les complexités récemment découvertes du cycle sismique et de ses répétitions. En combinant les connaissances actuelles sur les failles et les séismes à long terme, nous essayons ensuite de comprendre comment les failles peuvent croître dans le temps, c'est-à-dire accumuler du glissement et se propager latéralement par la répétition de grands séismes. Nous suggérons enfin comment cette compréhension peut aider à anticiper l'occurrence et la taille des futurs séismes.

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Active faults are those producing earthquakes. Their knowledge is thus a prerequisite to any seismic hazard analysis. The objective of the ‘active faults’ class is to make the students familiar with these structures, and establish the links and common properties between long‐term geological faults and instantaneous earthquake ruptures. We start reminding a few basics in rock and fracture mechanics that allow understanding why the Earth crust and lithosphere break through faulting and earthquakes. We then see on which criteria most active faults can be identified in the surface morphology. The modern tools allowing such identification are described. We show that faults are organized features that form hierarchical, larger‐scale systems, whose geometry brings information on long‐term fault evolution, kinematics and mechanics. The long‐term kinematics and evolution can then be more precisely quantified using data such as geomorphology and geochronology. We discuss these methods of quantification, the assumptions on which they rely, their implications in terms of long‐term fault slip rates, earthquake sizes and recurrence times, etc... Then, we go back to earthquake ruptures, which we analyze with a ‘geological eye’ (analysis of static parameters). Doing so, we point out the differences and similarities between earthquake ruptures and long‐term faults, and discuss the properties of faults which most control the earthquake behavior. We also characterize how faults behave during a single, then multiple seismic cycles, and introduce the recently discovered complexities of both the seismic cycle and its repetitions. Combining the present knowledge on long‐term faults and earthquakes, we then try to understand how faults may grow in time, i.e., accumulate slip and propagate laterally through the repetition of large earthquakes. We eventually suggest how that understanding may help anticipating the occurrence and size of the future earthquakes.

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L’objectif de cet enseignement est de transmettre des connaissances théoriques et des compétences pratiques sur la gestion des risques majeurs en France, avec un accent sur les risques naturels. Les étudiants disposeront dès lors des compétences et connaissances nécessaires pour comprendre les enjeux voire mettre en œuvre les plans de gestion réglementaires (PPR, PCS, information préventive, surveillance et observation), tout en disposant d’éléments sur les approches et outils alternatifs existant en matière de prévention (information préventive), de gestion (gestion intégrée des risques naturels, gestion de crise opérationnelle) et de retour d’expérience (notamment approches participatives et liées aux réseaux sociaux numériques). L’UE alterne entre cours (22h) et session pratiques (18h), parmi lesquelles une sortie de terrain.

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Ce cours aborde les principales techniques géophysiques de caractérisation (et de suivi temporel) des couches superficielles (premières dizaines de mètres) avec des applications en risques naturels, environnement et en géotechnique. Il se veut très orienté données en combinant connaissances théoriques et méthodologiques, acquisitions et traitement de données, interprétation.

En pratique, il aborde les techniques de tomographies sismiques et électriques, d’inversions d’ondes de surface, de bruit sismique et de géoradar. Chacune de ces techniques sera illustrée lors de TD/TP avec des logiciels spécifiques, libres de droit. 2 sorties terrain seront organisées : une approche multiméthode de caractérisation d’un glissement de terrain qui constituera le projet principal du module et une seconde, concernant le géoradar et l’imagerie de structures sédimentaires.

Figure 1 – Left :  GPR imaging of ice accumulation in Antarctics. Right : Example of field seismic acquisition.

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This course covers the main geophysical techniques for characterizing (and of temporal monitoring) surface layers (the first few tens of meters), with applications to natural hazards, the environment and geotechnics. It is highly data-oriented, combining theoretical and methodological knowledge, data acquisition and processing, and interpretation.

In practical terms, it covers seismic and electrical tomography techniques, surface wave inversions, seismic noise and Ground Penetrating Radar. Each of these techniques will be illustrated during TD/TP sessions using specific, royalty-free software. 2 field trips will be organized: a multi-method approach to characterizing a landslide, which will be the module's main project, and a second, involving Georadar and imaging of sedimentary structures.

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Le principal objectif du cours est d'introduire les équations fondamentales qui sous-tendent les approches théoriques et numériques utilisées en sismologie. Son but est de fournir des connaissances sur les bases mathématique et physique de la sismologie quantitative. Le cours comprend deux parties, une première sur les aspects théoriques liées à la propagation des ondes, une seconde portant plus spécifiquement sur l’étude des séismes et de la source sismique. Pré-requis recommandés
connaissances de bases en physique des ondes, sismologie et traitement de signal.

Langue d’enseignement: Anglais
Dans la partie 1 sont abordés des éléments de mécanique, les concepts d'ondes et de vibrations, la propagation des ondes sismiques dans les milieux à couches, le calcul des sismogrammes synthétiques, les ondes de surface, l'atténuation anélastique, la diffusion et la prédictions du mouvements du sol.
Dans la partie 2 traite de la représentation des sources sismiques, les mécanismes focaux, la cinématique et la directivité des ruptures, les lois d’échelles et la dynamique de la rupture.

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The main motivation of the course is to introduce the fundamental equations underlying the essential theoretical and numerical approaches used in seismology. Its objective is to provide basic knowledge of the mathematical and physical background for quantitative seismology. The course includes two parts, a first on the theoretical aspects related to wave propagation, a second focussed on the study of earthquakes and the seismic sources.
Part 1 are discussed elements of mechanics, the concepts of waves and vibrations, the propagation of seismic waves in layered media, synthetic seismograms computation, surface waves, anelastic attenuation, scattering and ground motion predictions. Part 2 deals with the representation of seismic sources, the focal mechanisms, the kinematics and the directivity of the ruptures, scaling laws and rupture dynamics. Pré-requis recommandés:
Basic knowledge in Waves Physics, Seismology and Signal Processing

Langue d’enseignement: Anglais

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A new course that will follow the one in the 2nd semester of the first year, but that can also be chosen by students with previous experience in the field. A detailed description will be posted later, in the meantime look at the corresponding UE of the first year.

Ce cours présente les principales méthodes d'apprentissage profond pertinentes pour les applications des sciences de la Terre, où le traitement des séries temporelles et des images (parfois bruitées, incomplètes) et la prévision sont des problèmes de routine. Cela inclut par exemple les réseaux neuronaux convolutifs, les réseaux neuronaux récurrents et les réseaux génératifs.

Pré-requis : Idéalement : Introduction à l'apprentissage automatique en sciences de la Terre, cours de la première année de Master STPE. Sinon : bonne connaissance de Python, notions de base en calcul différentiel et algèbre linéaire.

Langues : Anglais, Français

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L'objectif de ce cours orienté projet est d'approfondir, selon le choix de l'étudiant, un ou plusieurs aspects vus dans les cours "Modélisation numérique", "Traitement avancé du signal", "Assimilation de données" et "Advanced Machine learning" (selon votre parcours tout ou partie de ces options sont proposées) sur un projet réalisé en autonomie avec un enseignant-référent sur un sujet particulier.

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The objective of this project-oriented course is to deepen, according to the student's choices, one or more aspects seen in the "Numerical Modeling", "Advanced Signal Processing", "Advanced Machine Learning" and "Data Assimilation" (note that depending on your parcours / path, not all these courses may be accessible) courses on a project carried out in autonomy with a teacher-referent on a particular subject.

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L'objectif de cette UE est de former les étudiants aux méthodes numériques utilisées pour résoudre les équations aux dérivées partielles classiques des sciences de la Terre, avec des méthodes de type différences-finies, élements finis, methodes spectrales, ... Cette UE s'articule autour de cours magistraux théoriques présentant les méthodes et leur propriétées numériques, et des travaux pratiques de mise en oeuvre sur des problèmes pratiques simples. La mise en pratique sur des problèmes plus complexes et l'approfondissement des méthodes sera abordé dans l'UE orientée projet "Computing and data analysis Project"

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The objective of this course is to train students in the numerical methods used to solve the classical partial differential equations of the Earth sciences, with methods such as finite difference, finite element, spectral methods, ... This course is structured around theoretical lectures presenting the methods and their numerical properties, and practical work on simple practical problems. The practical application on more complex problems and the deepening of the methods will be approached in the project-oriented UE "Computing and data analysis Project".

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UE ouverte aux M1 et M2, semestre 7 années impaires

Ce cours porte sur les interactions et les relations de rétroaction entre la tectonique et les processus de surface contrôlés par le climat, avec un accent particulier sur l'évolution des ceintures de montagnes telles que les Alpes, les Andes ou l'Himalaya. Dans ce contexte, les échelles de temps sur lesquelles les processus géologiques façonnent la surface de la Terre sont d'une grande importance. Par conséquent, la détermination de la chronologie et la quantification des processus géologiques à l'aide d'un large éventail de techniques de datation sont au cœur de ce cours dans le but de modéliser l'évolution du paysage. La moitié du cours sera basée sur des exercices pratiques, des études de cas et des présentations, afin que les étudiants participent activement à l'enseignement de ce cours. Le cours sera en anglais.

This course is on the interactions and feedback relationships between tectonics and climatically controlled surface processes, with a particular emphasis on evolution of mountain belts such as the Alps, Andes or Himalayas. In this context, the timescales on which geological processes shape the surface of the Earth are of great importance. Therefore, the determining the timing and quantifying geological processes through wide range dating techniques are at the core of this course with the objective of modelling landscape evolution. Half of the course will be based on practical exercises, case studies and presentations, so that the students will actively participate in the teaching of this course.The course will be in English.

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Le but de ce cours est de couvrir les principes fondamentaux du traitement des données numériques pour des applications pratiques en géophysique. L'accent est mis sur la représentation et l'analyse des séries temporelles, telles que les signaux sismiques, même si les concepts peuvent être transposés à tout signal numérique unidimensionnel. Un objectif majeur du cours est d'illustrer certains des nombreux pièges et problèmes que les futurs géophysiciens peuvent rencontrer lors de l'analyse des signaux.

Le cours couvrira 4 chapitres (24h):
(1) Représentation des données et les transformées fondamentales
(2) Convolution, corrélation, et théorie de l'échantillonnage
(3) Le filtrage
(4) Méthodes et outils avancés

Une part importante du temps sera consacrée à des travaux pratiques sur ordinateur (d'une durée de 4 heures), qui couvriront tous les principaux sujets (28h): Transformée de Fourier et échantillonnage, convolution et corrélation, mesures des retards temporels/déphasages, filtres, analyse temps-fréquence et FK).

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The scope of this course is to cover the fundamentals of numerical data processing for practical applications in geophysics. The main emphasis is on the representation and analysis of time series, such as seismic signals, even though the concepts can be transposed to any single dimension numerical signal. One major aim of the course is to illustrate some of the many pitfalls and problems that future geophysicists can come across when analyzing signals.

The course will cover 4 chapters (about 24h)
(1) Data representation and fundamental transforms
(2) Convolution, correlation, and theory of sampling
(3) Filtering
(4) Advanced methods and tools

A significant amount of time will be dedicated to (4h-long) practicals on computers (28h), which will cover all the main topics: Fourier transform and sampling, convolution and correlation, measurements of time delays/phase shifts, filters, time-frequency analysis and FK).

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Ce stage doit a minima être réalisé durant 6 semaines. Il a vocation à découvrir le milieu professionnel, entreprise ou laboratoire de recherche, dont les thématiques sont en lien avec les objectifs de chaque parcours.

This internship must be carried out for at least 6 weeks. It aims to discover the professional environment, business or research laboratory, whose themes are linked to the objectives of each course.

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Ce stage a une durée minimale de 4 mois et constitue la finalisation du projet de master de chaque étudiant. Il peut servir comme passerelle d'entrée dans le monde professionnelle ou préparatoire à un doctorat. Il doit être en lien proche du parcours de master choisi. 

This internship has a minimum duration of 4 months and constitutes the finalization of each student's master's project. It can serve as a gateway to the professional world or preparatory to a doctorate. It must be closely linked to the chosen master's course.

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