Lire dans le bruit microsismique les effets des marées et de la houle sur les côtes et dans l’océan profond

Mercredi, 28 janvier 2015

Dans le cadre d'une étude d'imagerie sismologique des Pyrénées (programme ANR PYROPE)1 utilisant des sismomètres large bande, une équipe franco espagnole2 a mis au point une nouvelle méthode utilisant l’énergie des marées pour identifier les différentes sources à l'origine du bruit microsismique enregistré sur la bordure atlantique. Le bruit sismique est utilisé depuis quelques années pour l'imagerie de la Terre en profondeur (tomographie) ou la surveillance de l’activité des failles et des volcans. Mieux discriminer les sources du bruit microsismique, devrait permettre d’améliorer la précision de ces techniques d'imagerie et de surveillance. Cette étude est publiée dans la revue Geophysical Research Letters.

À la mémoire d'Olivier Quillard qui a installé et maintenu les stations PYROPE.

Quand l’océan fait vibrer la Terre

Littoral de Camaret sur-Mer (29) vu du site de la station PY48. © E. Beucler/LPGN (CNRS/UN/UA) Depuis le déploiement des premiers sismomètres, au début du 20ème siècle, l’activité océanique est connue pour être responsable d’un signal parasite appelé le « bruit microsismique », le plus gênant pour les sismologues se situant entre 2 et 20 s de période. Enregistré partout sur Terre, des côtes jusqu’au milieu des plus grands continents, le bruit microsismique est très fort entre 2 et 10 s de période. Ce «second pic microsismique» est dû à l’interaction constructive de deux systèmes de houle se propageant l’un vers l’autre ; les variations de hauteur d’eau entraînent alors des variations de pression sur le fond des océans, qui se convertissent en ondes sismiques, se propageant à chaque instant dans la planète, aussi bien en plein océan lors de tempêtes que par la réflexion de la houle sur les côtes.

En raison de l'utilisation récente du bruit sismique pour l'imagerie des structures profondes de la croûte et de la lithosphère terrestre ainsi que pour le suivi de l’activité des failles ou des volcans, plusieurs études se sont intéressées ces dernières années à mieux préciser les sources du bruit microsismique. Bien que la génération par la houle de ces microséismes en pleine mer soit largement acceptée, de nombreuses études récentes montrent que le « second pic microsismique », enregistré par les sismomètres à l’intérieur des terres, ne proviendrait quasiment que des interactions de la houle avec les côtes, en eaux peu profondes. Les multiples scenario possibles d'existence simultanée ou non de ces deux types de sources, et leur poids respectif, rend leur discrimination délicate avec des méthodes d'analyse classiques.

Le repère des marées

Localisation des stations sismologiques (triangles) et des bouées (cercles). VAL (Irish National Seismic Network) et ECH (Geoscope) sont des stations permanentes. © Beucler et al. GRL 2015 Capteur sismique de la station PY48 (aujourd'hui station CAMF de RESIF), installé dans un blockhaus, à Camaret sur-Mer (29). © E. Beucler/LPGN (CNRS/UN/UA) La méthode utilisée par les auteurs prend en compte l’énergie des marées. Profitant du déploiement de sismomètres large-bande (enregistrant le signal sismique dans une large gamme de fréquences) dans le cadre du projet ANR PYROPE, deux des stations installées par le Laboratoire de Planétologie et Géodynamique de Nantes ont été déployées à moins de 150 m du rivage. Ces installations peu communes ont révélé que les marées lunisolaires (combinaison des marées lunaires et solaires), particulièrement importantes sur la côte atlantique, modulent fortement l’énergie microsismique, sauf dans une fenêtre spectrale située entre 2 et 5 s de période où ces modulations dues aux marées n'existe pas. Ce phénomène, observé pour la première fois dans cette gamme de période ne peut s’expliquer que par le fait qu’une forte énergie sismique en provenance de l’océan profond masque les incessantes oscillations dues à la marée. Pour le démontrer les auteurs ont comparé des données acquises avec ou sans tempête dans l’Océan Atlantique Nord. Ainsi, grâce à la marée (utilisée ici comme signature associée à un phénomène côtier) ils ont pu séparer pour la première fois, sans ambiguïté, les microséismes générés sur les côtes de ceux générés dans l'océan profond et montrer par là même que les côtes et l’océan profond pouvait contribuer ensemble au bruit microsismique.


Spectrogrammes de puissance durant 17 jours en avril 2012. Les amplitudes spectrales de puissance sont représentées en couleur, en fonction de la période (ou de la fréquence axes du haut). Les hauteurs d’eau au niveau des stations PY41 et PY48 sont représentées en magenta et au niveau des bouées BY et K4 par les courbes marron et verte. On voit l'énergie de la composante verticale, jour par jour, aux 4 stations, dans une gamme de période allant de 0.2 à 70 s. Les couleurs rouges indiquent un très fort niveau de bruit. Seules aux stations PY41 et PY48 ont voit des alternances avec un rythme d'à peu près deux fois par jour, parfaitement corrélées avec les marées. Cependant, ces alternances n'existent pas dans entre 2 et 5 s de période et l'on voit qu'en plus les forts mouvements de houle au large (bouées BY et K4) apportent de l'énergie dans cette même gamme de période.© Beucler et al. GRL 2015

Les application potentielles

Les applications potentielles de ce travail concernent plusieurs thématiques :

  • Pour certaines modélisations numériques de conversion de l'énergie de la houle en énergie sismique, les coefficients de réflexion à la côte sont imposés sans pouvoir être mesurés. Les oscillations d'énergie liées aux marées peuvent permettre de mieux les déterminer.
  • Les méthodes actuelles d’imagerie sismique obtenues par l’utilisation du bruit de fond (tomographies par corrélation de bruit) supposent que le bruit est uniformément réparti, cette étude révélant que les sources de bruit de courte période, ne viennent pas des côtes mais plutôt de l'océan profond, devrait permettre d'adapter les traitements de données.
  • De même, dans les cas où certains paramètres physiques (au voisinage de failles ou au-dessus des volcans) sont suivis par corrélation de bruit, il sera possible de séparer une variation du paramètre d'une éventuelle contamination par une variation de la source (tempête, par exemple).
  • Enfin, si on peut déterminer qu'entre 2 et 5s de période, les microséismes, enregistrés en plusieurs endroits, viennent effectivement de l'océan profond, cette étude peut permettre de mieux contraindre l'activité océanique passée. Les sismomètres installés depuis parfois plus de 40 ans gardent dans leurs enregistrements, la trace des tempêtes et autres événements climatiques importants, à l'époque où il n'y avait pas de satellite. En reprenant ces données, on peut ainsi espérer apporter des nouvelles données dans les archives climatiques.

 

Note(s): 

1-PYROPE : Projet ANR (Agence Nationale de la Recherche) pour la période 2010-2013, dans lequel sont impliquées les universités de Toulouse, Montpellier, Nantes, Grenoble et Strasbourg. Il s’appuie sur l’installation temporaire d’un réseau dense de stations sismologiques dans le sud-ouest de la France et sur le pourtour du Golfe de Gascogne. Le projet PYROPE se fait en coordination avec les partenaires espagnols du projet IBERARRAY, qui ont installé dans la même période un réseau de stations temporaires sur tout le nord de l’Espagne. L'objectif est de mieux déterminer la structure profonde des Pyrénées et du Golfe de Gascogne.

2-Cette équipe réunissait des chercheurs du LPG-Nantes (Laboratoire de Planétologie et Géodynamique de Nantes), l'ICTJA (Institut des Sciences de la Terre de Barcelona), l'IRAP (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie) et l'EOST (École et Observatoire des Sciences de la Terre).

Source(s): 

Observation of deep water microseisms in the North Atlantic Ocean using tide modulations

Éric Beucler1, Antoine Mocquet1, Martin Schimmel2, Sébastien Chevrot3, Olivier Quillard1, Jérôme Vergne4 and Matthieu Sylvande3; Manuscrit en ligne : 28 DEC 2014 08:14PM EST | DOI: 10.1002/2014GL062347

1-Laboratoire de Planetologie et Geodynamique (CNRS/Universite de Nantes)

2-Department of Structure and Dynamics of the Earth, Institute of Earth Sciences
Jaume Almera, Consejo Superior de Investigaciones Cient cas, Espagne

3-Institut de Recherche en Astrophysique et Planetologie, (CNRS/Université deToulouse 3)

4-EOST (CNRS/Université de Strasbourg)

 

Contact(s):
  • Eric Beucler, LPGN (CNRS/Université de Nantes/université d'Angers)
    eric [dot] beucler [at] univ-nantes [dot] fr, 0251125498

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