Instrumentation sismologique spatiale : Fonction de transfert du sismomètre 6 axes InSight et développement d'un capteur de déplacement picométrique par interférométrie

par Lucile Fayon

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Philippe Lognonné et de Hubert Halloin.

Soutenue le 17-04-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris) , en partenariat avec AstroParticule et Cosmologie (Paris) (laboratoire) et de Université Paris Diderot - Paris 7 (établissement de préparation) .

Le président du jury était Pascal Bernard.

Le jury était composé de Philippe Lognonné, Hubert Halloin, Michel Lintz, Heiner Igel, Johan O. A. Robertsson, Brigitte Knapmeyer-Endrun.

Les rapporteurs étaient Michel Lintz, Heiner Igel.


  • Résumé

    La compréhension de la formation du Système Solaire et de son Evolution est profondément connectée aux connaissances que nous pouvons avoir sur les structures internes des planètes. Des études sismiques in-situ sont donc cruciales pour sonder la structure (répartition et Épaisseur des couches) et la composition interne des planètes telluriques. L'instrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) se posera sur Mars en 2018 (mission InSight de la NASA). Il contient deux types de capteurs sismiques: les VBB (Very Broad Band) et SP (Short Period), montés sur le LVL (système de nivellement mécanique) qui a un double objectif: assurer le placement horizontal des capteurs sur le sol de Mars dans des conditions locales inconnues et fournir le couplage mécanique des sismomètres au sol. Dans cette thèse, un modèle analytique simple du LVL est développé afin de reproduire son comportement mécanique grâce au calcul de ses résonnances et de sa fonction de transfert. Ce modèle permettra d'étudier l'effet du LVL sur les données sismiques des VBB et SP enregistrées sur Mars. Celui-ci est d'abord implémenté numériquement puis sa validation est garantie grâce ˆ l'observation de grandes similitudes entre nos résultats et ceux des expériences réalisées en laboratoire avec le modèle de vol. Ces comparaisons prouvent ainsi la fidélité du modèle ˆ la réalité. Après quelques simulations, on remarque également une influence importante du couplage mécanique entre les pieds du LVL et le sol dans les résonnances trouvées. Une étude d'inversion est alors réalisée afin d'observer si le modèle pourrait permettre d'estimer les propriétés du sol au niveau du site d'atterrissage InSight. Un autre travail consiste ˆ modéliser les 6 capteurs VBB et SP sur le LVL et observer la réponse de l'instrument global en translation et en rotation. En effet, des effets de rotation du LVL ˆ courte période peuvent perturber les mesures sismiques. Cette étude peut aussi permettre d'estimer les performances en rotation de SEIS, qui peut être une information clé pour déterminer la vitesse de phase des ondes sismiques de surface, fortement dépendante de la composition du sol. Cette vitesse sera calculée sur Mars en réalisant une expérience sismique active grâce ˆ l'autre instrument principal d'InSight: HP3. Aujourd'hui, de nouveaux projets sont étudiés pour un retour sismique sur la Lune. En effet, les sismomètres Apollo bien qu'ayant une bonne résolution en terme de déplacement du sol étaient cependant incapables de détecter le bruit sismique du sol lunaire, appelé "meteoritic hum". Ce bruit, du aux chutes continues de micrométéorites, a une amplitude estimée ˆ 1/100e de la résolution des sismomètres Apollo ˆ une certaine fréquence. Les phases sismiques du noyau, même si estimées grâce au "stacking" des données, n'ont pas non plus été directement enregistrées. Une nouvelle génération de sismomètres, 100 ˆ 1000 fois plus sensibles que ceux d'Apollo, est donc désirée pour atteindre le plancher du bruit sismique lunaire. Cette sensibilité pourrait permettre de tirer bénéfice de l'intégralité des ondes sismiques générées par l'activité sismique lunaire. La structure d'un tel sismomètre serait un capteur de déplacement, toujours lié ˆ une masse d'épreuve, mais présentant de grosses améliorations en termes de performance, linéarité, et niveau de bruit. Pendant cette thèse, un prototype de système de lecture optique du déplacement de la future masse d'épreuve de ce sismomètre lunaire ultra-sensible est développé, basé sur l'utilisation de la technologie des détecteurs d'ondes gravitationnelles. En effet, ceux-ci sont une référence en termes de mesures interférométriques ˆ basse fréquence et très bas niveau de bruit. Le prototype construit est ainsi basé sur la technique de stabilisation laser appelée "Pound-Drever-Hall".

  • Titre traduit

    Spatial seismological instrumentation : Transfer function of 6-axis InSight seismometer and development of picometric displacement sensor by interferometry


  • Résumé

    The understanding of the Solar System formation and its evolution is deeply connected to the knowledge on the planet interior structures. In situ studies with seismometers are therefore crucial to probe the internal structure (distribution and thickness of layers) and composition of the telluric planets. Indeed, SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) will land on Mars in 2018 (NASA InSight mission). Both types of sensors of the SEIS instrument, the VBB (Very Broad Band) and SP (Short Period), are mounted on the LVL (a mechanical levelling system) for which the purpose is twofold: ensure a level placement of the sensors on the Martian ground under yet unknown local conditions and provide the mechanical coupling of the seismometers to the ground. In this thesis, we developed a simplified analytical model of the LVL structure in order to reproduce its mechanical behaviour by predicting its resonances and transfer function. This model will allow to estimate the LVL effect on the VBB and SP data recorded on Mars. It is first implemented numerically and its validation is then guaranteed thanks to the observation of a lot of similarities between our results and those of the laboratory experiments with the LVL flight model. These comparisons prove the model fidelity with reality. After some simulations, we noticed a clear influence of the mechanical coupling between the LVL feet and the ground in the resonances found. For this reason, an inversion study has been realized in order to study if this model could allow to estimate the ground properties of the InSight site. Another work consists in modeling the 3 VBB sensors and the 3 SP sensors on the LVL and to observe the response of the global SEIS instrument in translation and rotation. Indeed, some rotation effects at short period can disturb the seismic measurements. This study can also allows to estimate the performances of SEIS, especially in rotation that can be one important information to recover the phase velocity of the surface seismic waves, highly dependent of the ground composition. This can be realized on Mars with an active seismic experiment thanks to the other main instrument of InSight mission: HP3. Today, new projects are also considered for a seismic return on the Moon. Indeed, the Apollo seismometers had a good resolution in ground displacement but were however unable to detect the Lunar ground seismic noise, named "meteoritic hum". This noise is possibly due to the continuous fall of micro-meteorites and its amplitude has been estimated to be about 1/100 of the resolution of the Apollo sensors at a certain frequency. Core seismic phases, although detected through stacking, have not also been individually recorded. A new generation of broadband seismometers, 100 to 1000 times more sensitive than the Apollo ones are therefore requested in order to reach the lunar seismic noise floor. This sensitivity will allow to take benefit of all the seismic waves generated by the Moon seismic activity. The core of such seismometer will be the proof mass displacement sensors, with extreme improvement in performances, linearity and noise level. During this thesis, we developed an optical readout prototype, based on the use of gravitational waves detectorsÕ technology which is the reference in term of interferometric measurements at low frequency and very low noise levels. This prototype is based on the "Pound-Drever-Hall" laser frequency stabilization technique. The objective is to improve the sensitivity by 2 orders of magnitude compared to the current seismometers performances


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