Analyse de la polarisation de données multi-composantes à partir d'une seule station ou d'une antenne : méthodes et applications à la caractérisation du champ d'ondes sismiques

par Claire Labonne

Thèse de doctorat en Sciences de la planète et de l'univers

Sous la direction de Stéphane Gaffet et de Olivier Sèbe.

Soutenue le 09-12-2016

à l'Université Côte d'Azur (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice) , en partenariat avec Université de Nice (1965-2019) (établissement de préparation) , Laboratoire Géoazur (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) (laboratoire) et de Géoazur (laboratoire) .

Le président du jury était Bertrand Delouis.

Le jury était composé de Stéphane Gaffet, Olivier Sèbe, Bertrand Delouis, Matthias Ohrnberger, Jean Virieux, Nicolas Le Bihan, Nikolai M. Shapiro.

Les rapporteurs étaient Matthias Ohrnberger, Jean Virieux.

mots clés

• Antenne multi-composantes
• Modèle vectoriel de polarisation
• Analyse de polarisation
• Domaine temps-fréquence
• Traitement d'antenne
• Caractérisation du champ d'onde
• Onde sismique
• Propagation des ondes
• Antennes (électronique)
• Ondes sismiques
• Ondes -- Propagation

Résumé

L’analyse du champ d’ondes est un prérequis essentiel à l’étude de la propagation des ondes sismiques qui permet à son tour d’améliorer notre compréhension des processus physiques liés à la nature de la source et notre connaissance des milieux de propagation. L’objectif de cette thèse est de développer des techniques de traitement du signal afin d’améliorer l’exploitation des informations apportées par les stations et les antennes 3 composantes dans le but de caractériser le champ d’ondes sismiques. Elle se concentre sur les analyses de polarisation, leur extension aux antennes 3 composantes et leur utilisation conjointe avec des traitements d’antenne classiques. La thèse revient sur les approches existantes qui tentent d’étendre le traitement d’antenne aux 3 composantes. Ces méthodes existantes se montrent complexes et leur utilisation reste limitée, la thèse suggère deux méthodes alternatives associant successivement traitement d’antenne et polarisation. Afin d’exploiter au mieux les analyses de polarisation, un système standardisé de paramètres décrivant la polarisation est développé et associé à une solution de visualisation permettant de regrouper l’ensemble des paramètres essentiels à l’interprétation sur une figure unique. Finalement, une étude de polarisation sur l’antenne 3 composantes du LSBB (Laboratoire Souterrain Bas Bruit) démontre la possibilité d’utiliser la cohérence spatiale de la polarisation comme aide pour l’interprétation des sismogrammes

mots clés

• Multi-component array
• Vectorial polarization model
• Polarization analysis
• Time-frequency domain
• Array processing
• Wavefield characterization
• Seismic wave
• Wave propagation

Titre traduit

Polarization analysis of multi-component data from a single station or an array : methods and applications to the characterization of the seismic wavefield

Résumé

The analysis of the seismic wavefield is an essential pre-requisite to the study of seismic wave propagation which in turns helps improving our understanding of the physical processes behind the sources and our knowledge of the propagation medium. The objective of this thesis is to further develop signal processing techniques to more fully exploit the information brought by the 3 component stations and arrays in order to characterize the seismic wavefield. The thesis work focuses on polarization analysis, its extension to 3-component arrays and its joint use with classical array processing. A review of the existing methods that attempt to extend array processing to the 3-components leads to the observation that these methods are complex and their use is limited. Therefore, two alternative methods that associate array processing and polarization sequentially are suggested. In order to best exploit the polarization analyses, a standardized parametrization system describing the polarization is developed and associated with a visualization solution regrouping all the parameters necessary for the interpretation on one figure. Finally, a polarization analysis performed on data from the LSBB 3-component array demonstrates the possibility to use spatial coherency to assist with the interpretation of seismograms