Surveillance des propriétés de la glace de mer à partir du bruit sismique

Monitoring sea ice properties from seismic noise

• Auteur / Autrice : Agathe Serripierri
• Direction : Ludovic Moreau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 16/03/2023
• 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 : David Marsan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Prada, Nathalie Favretto-Cristini, Olivier Coutant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Barbara Nicolas, Antonin Eddi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glace -- Propriétés mécaniques

Glace de mer

Ondes guidées

Épaisseur -- Mesure

Mots clés libres

Épaisseur

Ondes guidées

Banquise

Propriétés mécaniques

Bruit sismique

Tremblements de glace

Seismic noise

Guided waves

Mechanical properties

Thickness

Sea ice

Icequakes

Résumé

Durant ces quatre dernières décennies, le déclin de l’extension et l’épaisseur moyenne de la glace de mer Arctique s’est accéléré de manière spectaculaire face au réchauffement climatique. Ce déclin est beaucoup plus rapide que celui prédit par les modèles de climat existant. L’évolution de l’étendue de la glace de mer est soumise à des processus thermodynamiques qui sont affectés par des paramètres importants évoluant à un rythme accéléré, tels que les propriétés mécaniques et l’épaisseur de la glace. Bien que les processus physiques expliquant ce déclin soient compris, les modèles actuels de banquise et climatiques ne reproduisent pas clairement les variations observées. Par conséquent, une surveillance continue et précise de ces paramètres est essentielle compte tenu de la nécessité de mettre à jour nos modèles climatiques. L’utilisation de méthodes sismiques pour étudier la glace de mer a longtemps été délaissée malgré leur potentiel pour des estimations très précises des propriétés de la glace. Toutefois, grâce aux rapides progrès technologiques et méthodologiques de la dernière décennie, ces approches ont été récemment reconsidérées.Une partie de cette thèse vise à prouver l’efficacité d’une méthodologie basée sur la mesure des ondes sismiques guidées dans la glace pour estimer son module d’Young, son coefficient de Poisson, sa densité et son épaisseur dans différentes directions en utilisant le bruit sismique ambiant enregistré par un réseau dense de capteurs. Pour illustrer le potentiel de cette méthode, nous présentons l’exploitation des données sismiques continues enregistrées par un réseau autonome de 247 géophones déployés entre le 1er et le 24 mars 2019, sur la banquise côtière du lac Vallunden, dans le fjord de Van Mijen, dans l’archipel norvégien de Svalbard. La méthode consiste à extraire une fonction de corrélation de bruit puis à inverser les courbes de dispersion des modes guidés se propageant dans la glace de mer. Pour calculer la fonction de corrélation de bruit quotidienne, nous montrons que la sélection des fenêtres de temps où la source sismique dominante est alignée avec les récepteurs améliore significativement le rapport signal/bruit. Les courbes de dispersion des trois modes guidés fondamentaux sont inversées avec un échantillonnage de type Monte Carlo par chaînes de Markov pour déduire la fonction de densité de probabilité des paramètres de la glace de mer. Nous obtenons des résultats cohérents avec les observations et les mesures effectuées in situ. Ainsi, nous démontrons qu’en utilisant cette méthode, il est possible d’estimer l’épaisseur, la densité et les propriétés élastiques de la glace de mer avec précision et sur une base quotidienne.Ensuite, nous avons exploité des évènements particuliers contenus dans le bruit sismique enregistré : les tremblements de glace - icequakes en anglais. Il s’agit de libérations soudaines et impulsives d’énergie issues de divers mécanismes propres à la glace tels que la fracturation. On en compte plus d’une centaine par jour dans nos enregistrements. Ils ont l’avantage d’être isotropes autour de notre réseau sismique. Pour isoler ces signaux spécifiques des enregistrements continus debruit, une méthode de hiérarchisation des formes d’ondes basée sur un réseau de diffusion profond a été utilisée. Nous avons ensuité sélectionné manuellement et minutieusement les fenêtres temporelles associées aux icequakes. Finalement, les premières étapes antérieures à une inversion tomographique ont été réalisées en mesurant les décalages temporels d’arrivée du champ d’ondes au sein de notre réseau. Nous discutons des perspectives de ce travail qui ouvre la voie à l’imagerie à partir du champ d’ondes émis par les icequakes.

Over the past four decades, the decline in the extent and thickness of Arctic sea ice has accelerated dramatically due to global warming. The rate of this decline is much faster than predicted by existing climate models. The evolution of the decline in the extent and average thickness of sea ice is subject to thermodynamic processes that are affected by important parameters, such as the mechanical properties and thickness of the ice. Although the physical processes explaining this decline are understood, sea ice and climate models do not clearly reproduce the observed variations. Therefore, continuous and accurate monitoring of these parameters is essential given the need to update our climate models.The use of seismic methods to study sea ice has long been neglected despite their potential for very accurate estimates of ice properties. However, thanks to rapid technological and methodological advances in the last decade, these approaches have recently been reconsidered.Part of this thesis aims to prove the concept of a methodology based on the measurement of guided seismic waves in ice to estimate its Young's modulus, Poisson's ratio, density and thickness in different directions using ambient seismic noise recorded by a dense array of sensors. To illustrate the potential of this method, we present the exploitation of continuous seismic data recorded by an autonomous array of 247 geophones deployed between March 1 and 24, 2019, on the fast ice of Lake Vallunden, Van Mijen Fjord, Norwegian Svalbard Archipelago.The method consists of extracting a noise correlation function and then inverting the dispersion curves of guided modes propagating in the sea ice. To calculate the daily noise correlation function, we show that selecting time windows where the dominant seismic source is aligned with the receivers significantly improves the signal-to-noise ratio. The dispersion curves of the three fundamental guided modes are inverted with MCMC sampling to derive the probability density function of the sea ice parameters. We obtain satisfactory results that are consistent with observations and measurements made in situ. Thus, we demon- strate that by using this method, it is possible to constrain the thickness, density, and elastic properties of sea ice both precisely and on a daily basis.Secondly, we have exploited particular events contained in the recorded seismic noise: icequakes. These are sudden, impulsive releases of energy from various ice mechanisms such as fracturing. There are more than a hundred of them per day in our records. They have the advantage of being isotropic around our seismic array. To isolate these specific signals from the continuous noise records, a waveform sorting method based on a deep scattering network was used. A careful manual selection of the time windows associated with the icequakes was then performed. We then performed the first steps prior to a tomographic inversion by measuring the time shifts in the arrival velocity of the wavefield within our array. We discuss the prospects of this work, which paves the way for imaging from the wavefield emitted by icequakes.