Approche matricielle de l’imagerie sismique passive par ondes de volume

Matrix approach for body wave passive seismic imaging

• Auteur / Autrice : Rita Touma
• Direction : Michel Campillo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre Solide
• Date : Soutenance le 25/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Julia de Bernardy de Sigoyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patricia Garzon, Nori Nakata
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefan Catheline, Kees Wapenaar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zones de failles

Ondes -- Diffraction

Mots clés libres

Diffusion et diffraction des ondes

Structure de zone de faille

Imagerie passive

Matrix de réflexion

Ondes de volume

Wave scattering and diffraction

Fault zone structure

Passive imaging

Reflection matrix

Body waves

Résumé

La structure des zones de faille a une directe implication sur l'évaluation des risques sismiques. Les techniques d'imagerie par réflexion, en particulier la migration, sont couramment utilisées pour imager le sous-sol. Un modèle de vitesse précis est souvent nécessaire pour localiser correctement les réflecteurs en profondeur. L'imagerie des zones de faille est un défi en raison de la distribution complexe de la vitesse des ondes de volume en leur sein. La plupart des techniques de réflexion imagent les zones de faille indirectement à partir de la discontinuité des couches géologiques. Les hétérogénéités à petite échelle, telles que les fissures et les fractures, sont généralement négligées. Dans cette thèse, nous proposons une approche d'imagerie matricielle pour l'exploration géophysique qui compense les variations de vitesse dans la croûte pour imager les hétérogénéités de cette dernière avec une résolution de l'ordre de la longueur d'onde autour des zones de faille.L'imagerie matricielle est inspirée de précédents travaux en imagerie ultrasonore et optique. D'une part, les corrélations du bruit ambiant sont utilisées pour construire la matrice de réflexion. La composante des ondes de volume dans cette matrice contient toute l'information disponible sur le milieu. D’autre part, l'approche présentée ne nécessite pas un modèle de vitesse détaillé du sous-sol.Dans une première application, nous utilisons des enregistrements de bruit ambiant dans la bande de fréquence [10 20] Hz provenant d'un réseau dense de géophones afin d'imager la faille de San Jacinto, Californie, à petite échelle. Les corrélations ZZ sont calculées et organisées en matrice 2D. En appliquant des lois de retard temporels sur les réponses impulsionnelles entre géophones, la matrice de réponse est projetée en profondeur, en se basant sur un modèle de vitesse homogène. Une matrice de réflexion focalisée est obtenue et contient les réponses impulsionnelles entre un ensemble de sources et récepteurs virtuels à chaque profondeur. A partir de cette matrice, l'image du milieu est construite et ses aberrations peuvent être quantifiées. La différence entre le modèle de vitesse considéré et la réalité entraînent des distorsions de phase, qui dégradent la résolution de l'image. Un processus de correction matricielle des aberrations permet de compenser ces distorsions en introduisant la matrice distorsion. Une image 3D des 4 premiers km de la croûte terrestre est obtenue avec une résolution huit fois plus fine que celle attendue en milieu homogène. Des différences de réflectivité sont observées entre le Nord-Ouest et le Sud-Est de la faille avec une zone de dommages intense et localisée dans le Sud-Est.Dans un deuxième cas d'étude, nous imageons la structure à grande échelle de la faille Nord Anatolienne en utilisant les corrélations horizontales [0.1 0.5] Hz calculées entre 73 paires de stations. Un modèle de vitesse multi-couches est considéré. Une correction locale des distorsions de phase est effectuée. La structure profonde des principaux blocs géologiques est révélée. Des différences dans la profondeur du Moho sont mises en lumière, avec un saut sous la branche nord. Une forte réflectivité est observée dans la région située le long de la branche Nord de la faille, coïncidant avec la limite des blocs lithosphériques. La diffusion dans le nord s'étend jusqu'à 60 km de profondeur, suggérant une zone de cisaillement qui pénètre dans le manteau supérieur sous la branche Nord.Dans la dernière partie de cette thèse, nous proposons une approche qui ouvre la voie à une tomographie passive 3D de la vitesse des ondes de volume. Enfin, toutes les applications présentées confirment l'efficacité de la matrice de réflexion pour révéler la distribution des hétérogénéités dans la croûte terrestre. Elle peut être appliquée sur n'importe quelle bande de fréquence, pourvu que l'échantillonnage spatial du réseau de géophones satisfasse au critère de Nyquist.

Revealing the structure of fault zones provides insights required to assess seismic hazards. Reflection imaging methods, in particular migration, are commonly used to image the subsurface. An accurate velocity model is often needed to properly locate the reflectors in depth.Imaging fault zones is challenging due to the complex distribution of velocity. Also, most reflection techniques image fault zones indirectly from the discontinuity of geological layers. Wave diffraction by small-scale heterogeneities, such as cracks and fractures is generally neglected.In this thesis, we propose a matrix imaging approach for geophysical exploration that handles the velocity variation in the crust and allows to resolve heterogeneities of the order of the wavelength throughout the fault zone.The reflection matrix approach is inspired from previous studies in ultrasound and optical imaging of complex media. First, ambient noise cross-correlations are used to retrieve the reflection matrix associated with a dense array of geophones. The body wave components of this matrix contains all the information available on the medium. Second, the presented approach does not require a detailed velocity model of the subsurface. A set of matrix operation is applied to compensate for the mismatch between the actual wave velocity model and its approximate model.In a first application, we use ambient noise records in the frequency band [10 20] Hz from a dense array in order image the San Jacinto Fault, California, at small scale with an horizontal resolution of 80 m. ZZ cross-correlations are computed and arranged as 2D matrix. By applying time delays, the response matrix is projected to depth, using a homogeneous velocity model. A focused reflection matrix is obtained, that contains the impulse response between virtual sources and receivers at depth. From this matrix, the image of the medium is built and the resolution of the image can be quantified.Variations between the considered model and the reality result in phase distortions, i.e aberrations, that have detrimental effects on the image of the medium.We develop an aberration correction process that allows to compensate for these distortions by introducing a novel operator, the distortion matrix. 3D images of the first 4 km of the crust are retrieved. These images reveal the backscattered intensity generated by the heterogeneities in the medium. The location and reflectivity of scatterers are retrieved with a resolution 8 times better than the one in free space. Differences in the scattering between the Northwest and the Southeast of the fault were reported with an intense localized damage zone in the Southeast.In a second application, we image the large scale structure of North Anatolian Fault using [0.1 0.5] Hz horizontal cross-correlations computed between 73 pairs of stations. A multi-layered velocity model is considered. A local correction of the phase distortions is performed. The scattering structure of the crust and the upper mantle is revealed. Differences in the Moho depth are reported, with a step below the northern branch. Strong scattering is observed in the region lying along the northern strand of the fault, coinciding with the limit of the lithospheric blocks. The scattering in the North extends to 60 km depth, suggesting a shear zone that penetrates in the upper mantle beneath the northern strand. The scattering also reveals the deep structure of the main geological blocks.In the last part of this thesis, we propose an approach that paves the route towards a 3D passive tomography of the body wave velocity. Finally, all the presented applications confirm the efficiency of the reflection matrix approach in revealing the structure of the subsurface. It provides new insights into the scattering distribution in the Earth. It can be applied to any scale, scattering regime, and frequency bandwith, if the spatial sampling of the geophones' array satisfies the Nyquist criterion.