Imagerie des propriétés de diffraction : le couplage entre ondes de volume et de surface

Imaging for scattering properties of the crust : body to surface waves coupling

• Auteur / Autrice : Andres Camilo Barajas Ramirez
• Direction : Michel Campillo, Ludovic Margerin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 11/03/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Anne Paul
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Haruo Sato, Germán Camilo Prieto Corredor
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Haruo Sato, Christoph Sens-Schönfelder

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes -- Diffraction

Sismologie

Ondes sismiques

Ondes -- Propagation

Mots clés libres

Propagation des ondes

Sismologie

Propriétés de diffraction

Wave propagation

Scattering

Seismology

Résumé

L'analyse du bruit sismique ambiant s'est avérée être un puissant outil pour évaluer les changements de vitesse au sein de la croûte terrestre à l'aide de l'interférométrie par onde de coda (CWI). La CWI est basée sur l'analyse des petites variations de forme d'onde dans la coda des signaux, ce qui peut nous donner des informations sur la structure ou la dynamique des couches internes de la terre. L'objectif de cette thèse est de séparer et de localiser en profondeur la source de ces changements. Le travail présenté ici est développé en trois étapes principales :Premièrement, nous cherchons à dissocier les processus à l'origine des changements de vitesse dans la région de Pollino, dans le sud de l’Italie. Pour cela, nous utilisons un enregistrement de bruit sismique continu d’une durée de dix ans avec une seule station. Cette région est caractérisée par la présence d'aquifères et par une période relativement courte de forte activité sismique, dont un tremblement de terre de M5 qui s'est produit le 25 octobre 2012. Nous appliquons deux modèles qui estiment le niveau de l'eau dans l'aquifère permettant une bonne prédiction du delta v/v apparent mesuré, ce qui signifie que la variation de vitesse est due aux changements de la pression interstitielle à l'intérieur de l'aquifère. Une confirmation parallèle indépendante est obtenue avec des mesures géodésiques qui montrent une expansion volumétrique de la zone qui suit les mêmes patterns que ceux observés dans les modèles et la variation de vitesse. La soustraction de ces modèles de mesures révèle une faible réponse élastique de la croûte aux précipitations et met en évidence la chute de contrainte produite par l'événement sismique.Ensuite, nous abordons le problème de la localisation et de l'imagerie de la source qui génère les changements en profondeur dans la forme d'onde enregistrée à la surface. Pour cela, nous utilisons un modèle scalaire d'onde 3D qui couple naturellement les ondes de volume et de surface. Sur la base de ce modèle, nous faisons d'importantes déductions sur les caractéristiques physiques du système comme : un libre parcours moyen des ondes de volume avant qu’elles ne se transforment en ondes de surface dépendant de la profondeur ; et une transformation progressive de l'énergie des ondes de surface vers celles de volume. En utilisant les équations de transfert radiatif qui décrivent ce système, nous effectuons une série de simulations de Monte-Carlo pour estimer le noyau de sensibilité. Nous analysons ses caractéristiques les plus significatives et trouvons une bonne concordance lorsque nous le comparons avec d'autres études qui utilisent des simulations numériques du champ d'onde complet et des sensibilités indépendantes des ondes de surface et de volume pour estimer la sensibilité du système. Nous constatons également que le rapport entre la pénétration des ondes de surface et le libre trajet moyen détermine entièrement l'évolution du système, une caractéristique non détectée dans les précédentes études.Enfin, nous étudions le processus de localisation des sources en utilisant le noyau de sensibilité et une série d'observations : le problème inverse. Nous concevons une série de tests synthétiques pour évaluer la capacité de l'inversion à retrouver une perturbation de vitesse dans différents scénarios qui impliquent la profondeur de la perturbation dans le milieu, la durée de la coda utilisée dans l'inversion et le niveau de bruit dans le système. Nous faisons une première application de l'inversion pour l'étude de cas en Italie et analysons ses caractéristiques les plus pertinentes.

The analysis of the ambient seismic noise has proven to be a powerful tool to assess velocity changes within Earth's crust using coda-wave interferometry (CWI). CWI is based on the analysis of small waveform changes in the coda of the signals, which can give us information about the structure or dynamic of the internal layers of the earth. The objective of this thesis is to separate and locate at depth the source of these changes. The work here presented is developed in three main stages:First, we aim to disentangle the processes behind velocity changes detected from a ten-year-long recording of seismic noise made with a single station in the region of Pollino, in the south of Italy. This region is characterized by the presence of aquifers and by a relatively short period of high seismic activity which includes a M5.0 earthquake that occurred on the 25th of October 2012. We apply two models that estimate the water level inside the aquifer making a good prediction of the measured apparent delta v/v which means that the velocity variation is driven by changes in the pore pressure inside the aquifer. A parallel independent confirmation is obtained with geodetic measurements that show a volumetric expansion of the zone that follows the same patterns observed in the models and the velocity variation. The subtraction of these patterns from the measurements reveals a weak elastic response of the crust to the rainfall and unravels the stress drop produced by the seismic event.Second, we turn to the problem of localizing and imaging the source that generates the changes at depth in the waveform registered at the surface. For this, we use a 3-D wave scalar model that couples naturally body and surface waves. Based on this model we make important deductions of the physical characteristics of the system like a depth-dependent body-to-surface mean free path and a progressive energy transformation from surface to body waves. Using the radiative transfer equations that describe this system we perform a series of Monte-Carlo simulations to estimate the sensitivity kernel. We analyze its most important features and find a good agreement when we compare it with other studies that use full wavefield numerical simulations and independent surface and body wave sensitivities to estimate the sensitivity of the system. We also find that the ratio between the surface wave penetration and the mean free path completely determines the evolution of the system, a feature not seen in previous studies.Finally, we study the process of locating the sources using the sensitivity kernel and a series of observations: the inversion problem. We design a series of synthetic tests to assess the capacity of the inversion to retrieve a velocity perturbation in different scenarios that involve the depth of the perturbation in the medium, the duration of the coda used in the inversion, and the level of noise in the system. We make a first application of the inversion for the case study in Italy and analyze its most relevant characteristics.