Utilisation combinée des méthodes basées sur le bruit de fond dans le cadre du microzonage sismique

Les tremblements de terre, un des risques naturels les plus meurtriers, sont source de nombreuses interrogations qui ont fait naître des mythes et légendes il y a fort longtemps. Ainsi au XVIIème siècle le poisson-chat Namazu est tenu pour responsable des séismes au Japon. Portant sur son dos l’archipel nippon, il provoquerait les séismes en s’agitant. Étrangement on entend encore dire que les poissons-chats sont très sensibles aux signes avant-coureurs d’un séisme… Cependant aucune méthode n’a donné de résultats probants pour la prévision de séisme. A défaut de pouvoir prévoir un séisme, on s’attache à en limiter les dégâts par la prévention. Pour cela une bonne connaissance des aléas est nécessaire. L’analyse de l’aléa sismique peut se découper en deux volets : l’étude de la source sismique elle-même (déformation et activité des failles, initiation et dynamique de la rupture), et l’étude de l’effet des ondes émises par la source. Ce deuxième point consiste à estimer le mouvement du sol en un site donné compte tenu des caractéristiques de la source et du milieu traversé. En sub-surface, des effets locaux, dus à la géologie et morphologie du site, peuvent grandement affecter les caractéristiques de ces mouvements, et aggraver dommages.

Après les derniers séismes meurtriers ou à fort coût économique, comme souvent cités : Caracas (Venezuela) 1967, Mexico 1985, Loma prieta (San Francisco) 1989, Kobe (Japon) 1995, Izmit (Turquie) 1999, Francisco (Inde) 2001, Francisco (Iran) 2003, Yogyakarta (Indonésie) 2006, Niigata (Japon) 2004 et 2007, d’importants dégâts dus en partie aux effets de site ont été constatés. Une meilleure estimation a priori des effets de site apparaît alors comme un des éléments essentiels pour mieux prévenir les risques sismiques. De gros efforts ont été faits dans cet objectif depuis le séisme de Caracas en 1967, à la fois pour intégrer cette prise en compte de manière simple dans la réglementation parasismique, et pour élaborer des méthodes plus sophistiquées pour les études ponctuelles.

Introduction sur les méthodes liées au bruit de fond sismique

Le bruit de fond sismique se compose de toutes les vibrations ambiantes, d’origine anthropique -comme les industries, la circulation, les machines- ou naturelle -comme le vent, la houle et d’une façon générale tous les mouvements liés aux conditions météorologiques locales, régionales ou globales-. Une limite autour de 1 Hz sépare ces deux types d’origine [BonnefoyClaudet, 2004]. C’est un ordre de grandeur, chaque site ayant ses propres particularités. Dans le cadre du risque sismique et plus particulièrement des effets de site, le projet européen [SESAME] a marqué la volonté de la communauté scientifique à homogénéiser les connaissances sur le bruit de fond sismique, à la fois sur la méthode H/V et sur des méthodes d’analyse du bruit de fond en réseau. Le premier volet de ma thèse s’insère dans la suite de ce programme et s’appuie sur la thèse de Marc Wathelet [Wathelet, 2005], visant une approche plus pratique. Mon objectif n’est pas de rediscuter des aspects théoriques, mais d’en présenter les bases pour pouvoir discuter, en connaissance de cause, les aspects pratiques. Ceci en vue d’arriver à un protocole expérimental utilisable sur le terrain par des techniciens non forcément au fait de tous les détails du logiciel et des méthodes de traitement. Les méthodes utilisant le bruit de fond font partie des méthodes de prospections géophysiques; comme chaque méthode d’investigation du sol, elles présentent des avantages et des inconvénients. Sur un plan général, les techniques géophysiques présentent plusieurs avantages par rapport aux méthodes classiques de reconnaissance géotechnique (forages, essais de pénétration). Non destructrices, elles investissent un grand volume de roche ou de sol en place et ne posent pas de problème de représentativité et de remaniement. Elles sont relativement légères et peuvent être utilisées sur des topographies relativement escarpées, rendant leur coût intéressant. Par contre, elles doivent être calibrées par des données géologiques car le modèle résultant de ces mesures n’est pas unique. De plus les propriétés géophysiques obtenues (vitesse des ondes, résistance électriques, propriétés magnétiques) doivent être reliées aux paramètres mécaniques et hydrogéologiques pour être utiles à une étude complète. L’utilisation de bruit de fond sismique présente plusieurs avantages par rapport aux sources actives : grande profondeur de pénétration en raison du contenu basse fréquence, application facile en milieu urbain, pas de génération artificielle de vibrations. Toutes ces caractéristiques en réduisent le coût. Dans ce paragraphe 1 d’introduction du 1er volet, les méthodes associées aux mesures de bruit de fond sont brièvement présentées. Il existe deux façons bien distinctes d’utiliser les enregistrements de vibrations ambiantes:
– de manière ponctuelle, avec l’enregistrement d’un seul capteur, la méthode des rapports spectraux H/V [Nakamura, 1989] est utilisée pour donner des informations sur la fréquence de résonance et la réponse d’un site
– avec plusieurs enregistrements simultanés avec plusieurs capteurs, l’analyse en réseau donne le profil des ondes de cisaillement .

La méthode H/V : brève synthèse

C’est au Japon, dans les années 1950, que commence à se développer l’intérêt pour le bruit de fond qui consistait principalement à observer le contenu spectral d’un enregistrement brut. Puis d’autres modes d’analyse sont apparus dont le rapport spectral des composantes horizontales sur la composante verticale avec [Nogoshi, 1970]. Enfin, après une prise de conscience du rôle des effets de site et le développement des outils de traitement du signal, Nakamura publie en 1989 un article dans une revue anglaise [Nakamura, 1989]. Malgré les réticences faces aux justifications données dans cet article, l’intérêt pour cette méthode grandit vite. En effet elle est rapide et économique et permet une extension spatiale des mesures facilement. Cette méthode consiste à faire le rapport spectral de la composante horizontale sur la composante verticale de l’enregistrement des vibrations ambiantes à un endroit donné. La courbe obtenue est visualisée dans le domaine fréquentiel, elle présente parfois un pic à une fréquence particulière. Si ce pic répond à certains critères, la fréquence du pic peut être identifiée à la fréquence fondamentale du site au lieu de la mesure. La méthode H/V est maintenant très couramment utilisée ([Lebrun et al., 2001], [Lermo et Chavez-Garcia, 1993], [Mucciarelli, 1998], [Theodulidis et Bard, 1995]) mais son emploi manque encore de standardisation et parfois les interprétations manquent de justifications. Des travaux comme [Fäh et al., 2001], le travail de thèse de [Bonnefoy-Claudet, 2004] et des rapports du projet européen [SESAME, 2001-2004], font un bilan complet sur l’origine du pic sur la courbe H/V et son interprétation. Pour le cas d’une couche sédimentaire sur un rocher, les conclusions suivantes sont à retenir:
– Les sources locales et superficielles génèrent principalement des ondes de surface, un seul pic est alors généralement observé (sauf cas exceptionnels où des contrastes forts coexistent à plusieurs profondeurs);
– Les sources lointaines et/ou profondes génèrent surtout des ondes de volume, plusieurs pics, liés aux harmoniques de la fréquence de résonance, sont alors observés.
– Les sources locales et superficielles contrôlent majoritairement le champ d’ondes c’est pourquoi un seul pic est observable.

La méthode en réseau: analyses FK et SPAC et inversion

L’idée originale d’analyse en réseau de vibrations ambiantes a été formulée par Aki, [Aki, 1957], qui a proposé d’analyser la corrélation spatiale du bruit de fond et d’en tirer des informations sur la stratification du site à partir d’une interprétation en ondes de surface. Puis viennent, entre autres, [Lacoss et al., 1969] pour la méthode FK (fréquence-nombre d’onde), [Capon, 1969] pour la méthode haute résolution FK, [Asten et Henstridge, 1984] et [Tokimatsu, 1997] pour une review des méthodes et [Christensen et Hald, 2004], [Malagnini et al., 1993], [Satoh et al., 2001] pour une utilisation des méthodes. Le bruit sismique ambiant mesuré par un réseau de stations est apparu comme une méthode prometteuse de détermination du profil de vitesse Vs(z) ([Milana et al, 1996] ; [Scherbaum, 2003]; [Wathelet, 2005] ). Les hypothèses permettant d’utiliser le bruit de fond sont que celui-ci est principalement composé d’ondes de surface et que le mode fondamental des ondes de Rayleigh domine la composante verticale. Les différentes étapes de cette approche sont : Étape 1 : L’enregistrement du bruit avec plusieurs capteurs en réseau avec une géométrie particulière (dans nos études nous avons utilisé la CitysharkII avec 6 capteurs qui peuvent enregistrer simultanément)
Étape 2 : L’analyse de ces enregistrements : dans cette étude deux traitements sont considérés : l’autocorrélation spatiale; dont la dépendance fréquentielle est intimement liée à la vitesse de phase, et l »analyse dans le plan fréquence-nombre d’onde qui fournit une courbe de dispersion
Étape 3 : L’inversion des courbes caractéristiques (courbe de dispersion ou courbes d’autocorrélation) obtenues à l’étape 2 afin d’obtenir des profils de vitesse des ondes de compression et surtout des ondes de cisaillement du site ausculté.

Pour l’utilisation complète des mesures à l’analyse on pourra aussi se référer au délivrable [SESAME D24.13]. Chaque étape a une influence sur le résultat final qui est cherché, c’est-à-dire le profil de vitesse des ondes S. L’étape 1 de mesures, de part le choix de la géométrie du réseau (comprenant le nombre de capteurs, l’ouverture, la disposition, la durée d’enregistrement) influencera le domaine fréquentiel dans lequel les données seront utilisables. L’étape 2 concerne deux méthodes distinctes, FK et SPAC, qui ont chacune des stades de traitement où le choix des paramètres peut influencer les courbes obtenues. L’étape 3, l’étape d’inversion, peut donner une gamme de profils très étendus selon l’espace des paramètres choisi en entrée. Cet espace est plus ou moins contraint selon les connaissances préalables sur le site.

Table des matières

Introduction
Chapitre I. Détermination de la fréquence de résonance f0 et de la vitesse des ondes de cisaillement, Vs, à partir de l’utilisation combinée des méthodes basées sur le bruit de fond
1. Introduction sur les méthodes liées au bruit de fond sismique
1.1. La méthode H/V : brève synthèse
1.2. La méthode en réseau: analyses FK et SPAC et inversion
1.2.1. Analyse SPAC (SPatial AutoCorrelation)
1.2.2. Analyse FK (Fréquence – nombre d’onde)
1.2.2.1. Réponse théorique et limites associées à un réseau (aliasing et résolution)
1.2.2.2. Réponse du réseau à un champ d’onde
1.2.3. L’inversion
2. Étude de cas synthétiques sur l’étape d’inversion des courbes de dispersion des modèles de SESAME
2.1. Le calcul direct des courbes de dispersion et de l’ellipticité
2.1.1. La courbe de dispersion
2.1.2. L’ellipticité
2.2. Présentation des modèles
2.3. Influence de la bande de fréquence sur l’inversion
2.4. Influence de l’espace des paramètres initial de l’inversion
2.4.1. Modèle M2.1
2.5. Apport des ondes de Love
2.5.1. Modèle M2.1
2.5.2. Modèle M2.2
2.5.3. Modèle M10.2b
2.5.4. Conclusion
2.6. Données a priori
2.6.1. Contraintes sur Vp
2.6.2. Contraintes sur Vs
2.6.3. Contraintes sur l’épaisseur
2.6.4. Contraintes sur la fréquence de résonance
2.6.5. Conclusion
3. Étude de cas synthétiques sur l’étape d’obtention des courbes
caractéristiques (dispersion ou autocorrélation) des modèles de SESAME
3.1. Introduction
3.2. Limites associées à un réseau
3.3. Présentation des réseaux
3.4. Analyse fk
3.4.1. Modèle M2.1
3.4.1.1. Réseaux circulaires
3.4.1.2. Réseaux triangulaires
3.4.2. Modèle M2.3
3.4.3. Modèle M01
3.4.4. Conclusion
3.5. Analyse SPAC
3.5.1. Modèle M2.1
3.5.2. Modèle M23
3.5.3. Modèle M01
3.5.4. Conclusion
3.6. Conclusion: Comparaison des analyses FK et SPAC
3.6.1. Exemple du site M2.1
3.6.2. Remarques générales
4. Analyses sur des sites réels
4.1. Mesures de bruit de fond dans les argiles du Trièves à Saint Guillaume et dans l’Ubaye à Super Sauze
4.2. Analyse de données de bruit de fond en réseau autour de 14 stations-test du Réseau Accéléromètrique Permanent (RAP)
4.2.1. Abstract
4.2.2. Introduction
4.2.3. Brief presentation of the method
4.2.3.1. FK and SPAC techniques and their limitations
4.2.3.2. Second step: Inversion
4.2.4. Grenoble basin investigation
4.2.4.1. Array measurements and analyse
4.2.4.2. Conclusions
5. Conclusion : Protocole
5.1. Description du protocole
5.1.1. Vérification de l’hypothèse d’un site tabulaire
5.1.2. Choix l’ouverture des réseaux
5.1.3. Analyses FK et SPAC et comparaison
5.1.4. Définition de la largeur de la bande de fréquence maximale et inversion de la
courbe de dispersion finale
5.1.5. Quantifier l’étalement sur les modèles sélectionnés
5.1.6. Vérification de la cohérence entre la fréquence de résonance empirique et la
fréquence de résonance des profils sélectionnés
5.1.7. Vérification de la courbe de dispersion par rapport à la profondeur à caractériser
5.1.8. Comparaison aux données existantes
5.1.9. Calcul du degré de confiance
5.2. Applications
5.2.1. Délimitation grossière des zones à effets de site sismiques dans le Sud-Isère
5.2.1.1. Bilan
5.2.2. Application sur le site de Saint Gervais ( Article ECEES Genève)
5.2.3. Analyse de données de bruit de fond en réseau enregistrées en Grèce
5.2.3.1. Introduction
5.2.3.2. Aigio
5.2.3.3. Korinthos
5.2.3.4. Lefkas
5.2.3.5. Vartholomio
5.2.3.6. Pirgos
5.2.3.7. Patras A
5.2.3.8. Patras 2
5.2.3.9. Conclusion
5.2.4. Blind Test ESG Grenoble 2006
6. Conclusion
Chapitre II. Fonction d’amplification selon la vitesse moyenne et la fréquence de résonance
7. Introduction
7.1. Justification du choix des paramètres f0 et Vsz pour caractériser l’effet de site
7.2. Synthèse de la démarche
8. Études sur les données de la base de données japonaise Kik-net
8.1. Distribution des données
8.2. Caractérisation des sites par la vitesse moyenne sur les z premiers mètres Vsz et la fréquence de résonance f0
8.2.1. Vérification du profil de vitesse des ondes S, VS(z)
8.2.1.1. La fréquence de résonance définie par modélisation f0m
8.2.1.2. La fréquence de résonance empirique f0e
8.2.1.3. Résultats et conclusion
8.2.2. Étude sur la distribution des vitesses des ondes de cisaillement
8.2.2.1. Abstract
8.2.2.2. Introduction
8.2.2.3. Velocities distribution over the Kik-Net data set
8.2.2.4. Relationships between the different time-average velocities
8.2.2.5. Velocity profiles out of Japan
8.2.2.6. Conclusion
8.2.2.7. Bibliography
8.2.3. Détermination de la fréquence de résonance fondamentale
8.3. Conclusion sur les informations apportées par les enregistrements
9. Comparaison des rapports de spectres de Fourier et de réponse
9.1. Introduction : Pourquoi cette comparaison est-elle utile ?
9.2. Comparaison des rapports Fourier et réponse
10. Problème de la définition d’un site au rocher référence
10.1. Introduction
10.2. Variability of the velocity profiles of rock sites from Kik-net database
10.2.1. Rock groups
10.2.2. Rock sites with Vs30 higher than 750 m/s
10.2.3. Rock sites with Vs30=800 m/s +/- 50 m/s
10.2.4. Rock sites with f0>10Hz
10.2.5. Rock sites with f0>10Hz and Vs30>750 m/s
10.2.6. Rock sites with f0>10Hz and 750<Vs30<850 m/s
10.3. Variability of the response of rock sites from Kik-net database
10.3.1. Rock sites with Vs30 higher than 750 m/s
10.3.2. Rock sites with Vs30=800 m/s +/- 50 m/s
10.3.3. Rock sites with f0>10Hz
10.3.4. Rock sites with f0>10Hz and Vs30>750m/s
10.3.5. Rock sites with f0>10Hz and 750<Vs30<850 m/s
10.3.6. Conclusion
10.4. Variability of the response of rock sites from modeling
10.4.1. Shear wave velocity profiles of the models
10.4.2. Response of generic rock sites
10.5. Conclusion
10.6. Annex
10.7. Bilan
11. Normalisation des fonctions de transfert de puits vers une référence commune
11.1. Introduction et but
11.2. Principe
11.3. Outils numériques
11.3.1. La méthode du quart de la longueur d’onde
11.3.2. La modélisation à une dimension de la réponse élastique à une onde SH
11.4. Choix des modèles de vitesse
11.5. Mise en œuvre avec la méthode du quart de la longueur d’onde
11.6. Mise en œuvre avec la méthode de modélisation 1D d’une réponse à une onde SH
11.7. Comparaison et conclusion
12. Correction des fonctions de transfert dans un forage : effet de la surface libre
12.1. Introduction
12.2. Effet de la surface libre : Observation sur des données réelles
12.3. Effet de la surface libre : Modélisation
12.4. Test de la correction analytique de la surface libre sur les données réelles
12.5. Conclusion
13. Moyenne et estimation de la fonction correctrice
13.1. Les classes selon VSz et f0
13.2. Les moyennes des rapports de spectres par classes
13.2.1. Comparaison des moyennes selon les deux types de rapport : Fourier et réponse
13.2.2. Comparaison des moyennes selon les deux types de normalisation
13.2.3. Comparaison des rapports non normalisés et normalisés
13.2.4. Comparaison des déviations standard selon les classes
13.2.5. Comparaison avec les spectres réglementaires de l’EuroCode 8 ou EC8
13.2.6. Conclusion
13.3. Détermination de la fonction correctrice de l’effet de site entre un rocher de
référence et un site caractérisé par VSz et f0
13.4. Retour sur les données
14. Applications sur le site-test de l’Ebron
14.1. Introduction
14.2. Résumé des études précédentes
14.2.1. Étude géotechnique et géologique
14.2.2. Enregistrements et analyses des évènements
14.2.3. Enregistrements de bruit de fond et analyse H/V
14.2.4. Profil géotechnique Vs de référence
14.3. Mesures en réseau: stratégie et analyse
14.3.1. Mise en place des réseaux: étapes n°1 et 2
14.3.2. Analyse des réseaux : étapes n°3 à 7
14.4. Estimation de l’effet de site grâce à la fonction correctrice FCES
14.5. Conclusions
Conclusions générales  
15. ANNEXES

Télécharger le rapport complet