Les ondes sismiques constituent le principal outil pour scanner l’intérieur de la Terre et en déduire des informations sur sa structure, son état thermique et ses propriétés chimiques. La tomographie sismique, de manière analogue à la tomographie médicale, construit des images en trois dimensions de l’intérieur de la Terre à partir des ondes sismiques déclenchées par des sources naturelles (tremblements de terre, bruit ambiant) ou contrôlées (explosions, ...).La méthode de l’état adjoint permet une implémentation efficace de l’inversion des formes d’ondes complètes (FWI : Full Waveform Inversion), une méthode d’imagerie qui exploite potentiellement toute la complexité du champ d’onde en trois dimensions pour construire des images haute résolution de l’intérieur de la Terre.Dans cette thèse, je propose de nouveaux observables fondés sur des doubles différences des temps de trajet et des formes d’ondes pour appliquer la FWI à l’échelle globale. Par ailleurs, je teste différentes paramétrisations du problème inverse pour extraire les propriétés physiques de la Terre comme l’anisotropie azimuthale et l’atténuation dans le manteau.Mes résultats suggèrent que les doubles différences utilisés avec des dispositifs denses de stations accélèrent la convergence de la FWI, améliore la résolution de l’imagerie sous le dispositif et réduisent les artefacts générés par la couverture hétérogène de la Terre par les données sismologiques.Il est connu que la composition et la déformation de la lithosphère et du manteau supérieur génèrent de l’anisotropie lors de la propagation des ondes. En partant du modèle de Terre globale GLAD-M25 développé par tomographie adjointe, le successeur du modèle GLAD-M15 et en) et en paramétrant l’inversion avec une anisotropie transverse, j’ai construit un premier modèle global du manteau supérieur anisotrope. J’ai effectué 10 itérations de la FWI adjointe en sélectionnant par fenêtrage les temps de trajet des ondes de surface combinés avec des doubles différences formés par des paires de stations. Les résultats révèlent l’empreinte au premier ordre de l’anisotropie et une résolution accrue dans les régions bénéficiant d’une forte couverture comme en Amérique du Nord et en Europe.L’atténuation est un autre paramètre physique clef pour identifier de la fusion partielle, la présence d’eau et cartographier des variations thermiques dans le manteau. Dans le dernier chapitre, j’effectue une première évaluation de la tomographie adjointe anélastique dans la perspective de construire un modèle d’atténuation du manteau par inversion conjointe des paramètres élastiques et anélastiques à partir de la phase et de l’amplitude des signaux. J’étudie les couplages entre les différentes classes de paramètres avec des tests synthétiques 2D afin de définir la meilleure stratégie pour la FWI anélastique à l’échelle globale. J’évalue également différents observables pour la reconstruction simultanée ou alternée des paramètres élastiques/anélastiques. Les tests 2D suggèrent qu’une fonction coût fondée sur l’enveloppe des signaux fournit les meilleurs résultats lors des premières itérations en réduisant la non linéarité de la FWI. Après avoir évalué l’empreinte de différents modèles d’atténuation sur les formes d’onde avec des simulations numériques dans différents modèles élastiques/anélastiques 1D/3D, j’ai conclu que la reconstruction conjointe des paramètres élastiques et anélastiques était nécessaire car l’atténuation affecte non seulement l’amplitude mais génère aussi une dispersion significative, notamment des ondes de surface. J’ai effectué une itération de la tomographie adjointe élastique/anélastique à l’échelle globale en partant du modèle élastique GLAD-M25 et du modèle anélastique 1D QRF12 et en utilisant 253 tremblements de terre. Les résultats préliminaires sont prometteurs et révèlent par exemple des zones de forte et faible atténuation sur les côtes ouest et est de l’Amérique du Nord.