Mesures indirectes de rotation effectuées à partir de l’antenne sismique du LSBB

Mesures des composantes rotationnelles du champ d’ondes sismique : état de l’art 

Mesure de rotation

Avant-propos
Le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) et plus précisément le Département d’Analyse Surveillance Environnement (DASE) a parmi ses missions de surveiller le respect des accords du Traité d’Interdiction Complète des Essais nucléaires (TICE) (Tavernier, 1996) ainsi que de surveiller et protéger l’environnement afin d’en déterminer les risques associés pour les populations. Cela se traduit par des activités dans le domaine de la surveillance et de l’alerte sismique et tsunami, des études de risques ainsi que de la recherche fondamentale et opérationnelle dans divers domaines tels que la sismologie, les tsunamis, les infrasons et l’hydroacoustique.

La surveillance sismique, à partir d’un réseau global de stations sismiques mesurant les trois composantes de translation du sol, permet de détecter les ondes sismiques se propageant sous nos pieds. Ces ondes peuvent être utilisées afin d’évaluer le risque sismique, d’imager le sous-sol, de caractériser la source pour pouvoir discriminer entre sources d’origines naturelles (séismes, volcans) ou anthropiques (tirs de carrières, minages, accidents industriels, explosions). Le milieu de propagation très hétérogène et complexe qui est celui de la structure interne de la Terre réduit l’efficacité de certains outils de discrimination basés sur la physique des ondes tels que les rapports d’énergie des ondes P et S (Bowers et Selby, 2009).

De nouveaux outils ont été développés par la communauté scientifique afin d’ajouter des informations utiles non seulement à la surveillance sismique, mais aussi favorisant une meilleure compréhension du champ d’ondes sismiques. Ces outils peuvent s’avérer être des algorithmes de traitement (Cansi, 1995; Labonne, 2016a; Labonne et al., 2016b), la création de nouveaux instruments plus sensibles (Bernauer et al., 2012) ou l’utilisation de nouvelles mesures (Cochard et al., 2006). L’une des «nouvelles» mesures est celle des trois composantes rotationnelles du champ d’ondes sismiques.

Historique
Dès 1742, Pasqual Pedini émet l’hypothèse de l’existence de «vortical motions» ou «mouvements qui tournent » sur la base d’observations de terrain telles que la rotation de monuments, d’ornements d’église ou de tombes à la suite du séisme de Livorno (Ferrari, 2006). M. Sarconi (1784) renforce cette hypothèse avec un croquis d’obélisques ayant subi une rotation après la série de séismes de 1783 secouant la Calabre. Il faut attendre Hoffmann (1838) d’après Lawson et al. (1908) ou Mallet (1849) d’après J.T. Kozàk (2009) pour que le phénomène sous-jacent à ces observations de terrain soit étudié. Mallet (1862) explique que l’émergence consécutive des phases d’une séquence sismique sous différents angles impacte ces structures les faisant tourner. Jusque dans les années 1970, les scientifiques ont étudié ce phénomène suivant deux approches : d’une part l’observation sur le terrain de marqueurs de rotation (Oldham, 1899; Reid, 1910), d’autre part le développement d’instruments pour mesurer physiquement le rotationnel (Forbes, 1844; Cecchi, 1875; Galitzin, 1912).

Pour autant, la communauté scientifique s’interroge quant à la contribution du rotationnel en sismologie. L’opinion majoritaire au sujet des mouvements de rotation suppose qu’ils sont insignifiants. Richter (1958) exprime son avis sur la question : «Theory indicates, and observation confirms, that such rotations are negligible ».

Applications des mesures de rotation

Apport de la mesure de rotation

Mathématiquement, les trois composantes de rotation correspondent au pseudo vecteur de rotation . Mesurer ces trois composantes (3C) de rotation apporte trois informations supplémentaires sur le champ d’ondes. Ces trois composantes supplémentaires sont exploitées par de nombreuses études dans divers domaines d’application tels que l’inversion de source, la décomposition et l’analyse du champ d’ondes sismiques, l’estimation de structures géologiques ainsi que le génie civil et l’étude de risques.

Inversion de source 

Intégrer les 3C de rotation en plus des 3C de translation lors de l’inversion d’une source sismique améliore la caractérisation de celle-ci. Donner et al. (2016) montre à l’aide d’une étude synthétique utilisant un réseau de capteurs que les composantes du tenseur des moments, en particulier les composantes associées à la profondeur de la source (???, ???), se précisent . Cet apport permet de situer l’hypocentre d’un évènement sismique et d’en déterminer sa magnitude avec plus de certitudes. Bernauer et al. (2014) ainsi que Reinwald et al. (2016) utilisent ces six composantes lors de l’inversion d’une source sismique afin d’améliorer la résolution associée à la vitesse de rupture de la faille ainsi qu’à son temps de montée (rise time). Cela permet d’en savoir plus sur l’orientation et le type de la fracture de l’évènement sismique étudié. Cette compréhension accrue de la source pourrait amener dans le futur à une discrimination entre sources naturelles (séismes) et artificielles (explosions).

Table des matières

1. Mesures des composantes rotationnelles du champ d’ondes sismique : état de l’art
1.1. Mesure de rotation
1.1.1. Avant-propos
1.1.2. Historique
1.2. Fondamentaux
1.3. Applications des mesures de rotation
1.3.1. Apport de la mesure de rotation
1.3.2. Inversion de source
1.3.3. Décomposition/Analyse du champ d’ondes sismiques
1.3.3.1. Séparation des ondes de volume
1.3.3.2. Suppression du ground-roll
1.3.3.3. Correction du tilt
1.3.3.4. Vitesse de phase/Azimut
1.3.4. Estimation de la structure géologique
1.4. Méthodes de mesures
1.4.1. Mesures directes
1.4.1.1. Capteurs à principe mécanique
1.4.1.2. Capteurs à fluide conducteur
1.4.1.3. Capteurs à fibre optique
1.4.1.3.1. Gyromètre à fibre optique – FOG
1.4.1.3.2. Gyroscope laser – RLG
1.4.2. Mesures indirectes.
2. Quantification de l’incertitude associée à la mesure de rotation
Ce chapitre a été rédigé en anglais dans le but d’une future publication
2.1. Introduction
2.2. Theoretical method – Array-derived rotational measurements
2.2.1. Definition of the rotation
2.2.2. Fundamental modes of body wave propagation
2.2.2.1. Case #1 : Incident SH-wave reflected at the free surface
2.2.2.2. Case#2: Incident SV-wave reflected at the free surface
2.2.2.3. Case#3: Incident P-wave reflected at the free surface
2.2.3. Validation of modeling
2.3. Spudich method
2.4. Estimation of difference between theoretical and seismogeodetic methods
2.4.1. Error computation
2.4.2. Wavelength range vs spatial extension
2.4.2.1. Effect on short periods
2.4.2.2. Incoherent noise
2.4.3. Required precision for error analysis
2.4.3.1. Azimuth variation
2.4.3.2. Incident angle variation
2.5. Parametric study
2.5.1. Variations in sensors’ misalignment
2.5.2. Variations in sensors’ coordinates
2.5.3. Variations in the instrumental response
2.6. Total error
2.7. Conclusions
3. Représentation graphique de l’incertitude associée à la mesure de rotation : un  cas d’application
3.1. LSBB
3.1.1. Généralités
3.1.2. Antenne sismique
3.1.2.1. Description
3.1.2.2. Mise en place des capteurs et erreur associée
3.2. Extension du calcul de l’incertitude du chapitre 2 à un réseau en profondeur
3.2.1. Champ d’ondes de rotation pour des ondes SH dans un demi-espace
3.2.2. Cas des ondes de Love
3.3. Amatrice
3.3.1. Calcul de Rz pour le séisme d’Amatrice à partir de l’antenne du LSBB
3.3.1.1. Métadonnées
3.3.1.2. Traitement des données
3.3.1.3. Analyse des signaux de translation
3.3.1.4. Calcul et analyse de la composante verticale de rotation
3.3.2. Raccordement entre l’accélération transverse (AccT) et Rz
3.3.3. Estimations et comparaison des incertitudes
3.3.3.1. Estimation statistique de l’incertitude
3.3.3.2. Estimation théorique de l’incertitude de mesure
3.3.4. Représentation de l’incertitude
3.3.5. Comparaison de la mesure indirecte avec la mesure directe de rotation
3.4. Conclusion
4. Conclusions

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