​Les travaux de recherche de cette thèse s'inscrivent dans le cadre général de l'expertise des projets de stockage de déchets radioactifs en couche argileuse. La présence de failles dans ces roches peut modifier ses propriétés de perméabilité ; la détection des failles constitue donc un enjeu majeur. Depuis de nombreuses années, l'IRSN mène des travaux de recherche dans la station expérimentale de Tournemire où des failles à faible décalage vertical sont interceptées dans le milieu argileux depuis des ouvrages souterrains. Les travaux précédents ont montré la difficulté de détecter ces failles depuis des acquisitions de surface que cela soit en sismique réflexion, réfraction ou en électrique. Dans le cadre de cette thèse, nous avons proposé une nouvelle géométrie d'acquisition sismique en transmission (sources en surface-récepteurs dans les ouvrages souterrains). Pour traiter ces données, un code de tomographie a été développé afin de maîtriser parfaitement les paramètres d'inversion et aussi d'introduire de l'information a priori. De nombreux tests synthétiques ont ensuite été menés dans le souci d'analyser de manière fiable les résultats obtenus, notamment en termes de résolution et de pertinence de l'image. L'application de ce code de tomographie aux données en transmission nouvellement acquises permet de mettre en évidence pour la première fois une discontinuité des vitesses sismiques dans les calcaires et argilites de la Station Expérimentale de Tournemire. Cette anomalie de vitesse est localisée à l'aplomb de la zone de faille visible depuis les ouvrages souterrains et est aussi en accord avec les observations de surface.