Champ d'ondes, variabilité spatiale et cohérence des mouvements sismiques : effets en champ proche et en vallée alluviale

Seismic wave field, spatial variability and coherency of ground motion over short distances : near source and alluvial valley effects

• Auteur / Autrice : Afifa Imtiaz
• Direction : Pierre-Yves Bard, Cécile Cornou, Emmanuel Chaljub
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 06/01/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• 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 : l’Institut des Sciences de la Terre
• Jury : Président / Présidente : Michel Bouchon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aspasia Zerva, Matthias Ohrnberger
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Didier Clouteau, Donat Fäh

Mots clés

Mots clés libres

Séisme

Variation spatiale

Simulation numérique

Réseau dense

Ondes de surface

Cohérence

Earthquake

Spatial variation

Numerical simulation

Seismic array

Surface waves

Coherency

Résumé

La variation spatiale du mouvement sismique a des effets significatifs sur la réponse dynamique des structures de génie civil de grandes dimensions. Dans la pratique courante, l'excitation du mouvement sismique le long de la fondation de la structure est considérée uniforme, approche cependant inadéquate pour les structures de large portance au sol localisées à proximité des failles ou sur des sites présentant une structure du sous-sol latéralement hétérogène. Cette thèse se propose donc de comprendre les facteurs clefs contrôlant localement la variabilité spatiale du mouvement sismique, avec en ligne de mire la mise en place de recommendations en vue d'incorporer ces effets dans l'estimation de l'aléa sismique et le dimensionnement des structures. La première partie de cette thèse s'intéresse à la composante intra-évènement de l'écart-type de la distribution du mouvement sismique en champ proche à l'aide de simulations numériques du mouvement sismique pour des sources étendues présentnat une cinématique de rupture réaliste. Les résultats suggèrent que la variabilité intra-évènement dépend significativement du type de rupture, cette variabilité augmentant avec la distance pour les ruptures bilatérales et diminuant pour les ruptures unilatérales. La seconde partie traite de la caractérisation de la composition du champ d'onde dans la vallée de Koutavos-Argostoli, qui est une vallée de petite dimension et d'épaisseur sédimentaire faible, située sur l'île – sismiquement active - de Céphalonie en Grèce. Les champs d'onde générés par 46 séismes, ayant des magnitudes variant entre 2 et 5 et des distances épicentrales jusqu'à 200 km, ont été analysés à partir de l'enregistrement par deux réseaux denses de capteurs sismologiques. L'algorithme de traitement d'antenne MUSIQUE est utilisé pour extraire la vitesse, l'azimut, le type et la polarisation des ondes dominantes se propageant à travers le réseau. Les résultats montrent clairement d'importantes diffractions d'ondes de surface aux bords de vallée au-delà de la fréquence de résonance de la vallée. Tandis que les ondes de Love dominent clairement le champ d'ondes proche de la fréquence de résonance, les ondes de Rayleigh dominent à plus haute fréquence dans des gammes de fréquences étroites. Par ailleurs, un excellent accord est observé entre les champs d'onde de surface diffractés localement et les caractéristiques d'amplification du site. La “cohérence décalée” de la partie la plus énergétique du signal a été quantifiée pour chaque paire de stations du réseau. En général, la cohérence calculée sur les composantes horizontales diminue avec la distance entre stations et la fréquence. La cohérence sur la composante verticale indique des valeurs relativement fortes à haute fréquence. Les valeurs de cohérence apparaissent très faiblement corrélées à la magnitude, l'azimut et la distance épicentrale du séisme, mais sont au contraire liées aux caractéristiques géométriques de la vallée. La coherence est systématiquement plus forte pour les couples de capteurs orientés selon la direction parallèle à l'axe de la vallée, et moins forte pour des couples de capteurs orientés dans la direction perpendiculaires. Cette observation est en accord avec les résultats du traitement d'antenne: la prédominance d'ondes de surface diffractées sur les bords de la vallée conduit à des mouvements en phase le long de la direction parrallèle à l'axe de la vallée. Les résultats de cette thèse apporte des elements de compréhension sur la variabilité spatiale du movement sismique et ouvrent de nombreuses perspectives d'application.

Spatial variation of earthquake ground motion over short distances significantly affects the dynamic response of engineered structures with large dimensions. In current practices, the ground motion excitation across the foundation of a structure is assumed to be spatially uniform, which becomes inadequate for spatially extended structures in the near-fault region or on sites with lateral inhomogeneity. This PhD thesis seeks to understand the key parameters that locally control the ground motion spatial variability with the intent of putting forth practical propositions for incorporating such effects in seismic design and hazard assessment. The first part of the thesis addresses the within-event component of the standard deviation of ground-motion distribution in near source region by means of numerical simulation of ground motions for extended sources with realistic rupture kinematics. The results suggest that the within-event variability significantly depends on the rupture type, depicting an increase with distance for bilateral ruptures and a decrease for unilateral ruptures. The second part deals with the characterization of seismic wave field at the Koutavos-Argostoli site, a small-size, shallow, alluvial valley located in the seismically active Cephalonia Island in Western Greece. The seismic wave field was investigated from the recordings of a dense seismological array for a set of 46 earthquakes, with magnitude 2 to 5 and epicentral distance up to 200 km. The MUSIQUE array analysis algorithm was used to extract the phase velocity, back-azimuth, type and polarization of the dominant waves crossing the array. The results clearly indicate dominant scattering of seismic surface waves, mainly from the valley-edge directions, beyond the fundamental frequency of the valley. While Love surface waves clearly dominate the wave field close to the resonance frequency, Rayleigh waves strongly dominate only in relatively narrow frequency bands at higher frequency. Besides, an excellent consistency is observed between the dominance of the identified surface wave type in the wave field and the site amplification. The ''lagged coherency'' of the most energetic part of the ground motion has been quantified for each station-pair within the array. In general, spatial coherency estimated from the horizontal components exhibit decays with frequency and interstation distance. Estimates from the vertical component exhibit rather larger values at some higher frequencies. Although coherency does not show any consistent trend indicating dependence on the magnitude, back-azimuth or site-to-source distance of the event, it seems to be primarily controlled by the site geometry. Larger coherency is systematically observed when the station pair is oriented parallel to the valley axis, while lower values are observed in the perpendicular direction. This observation proves to be consistent with the MUSIQUE analysis results: the predominance of scattered surface waves propagating across the valley implies an in-phase motion along valley-parallel direction and out-of-phase motion along valley-perpendicular direction. The findings of the present research are expected to contribute in enhancing our understanding of spatial variability of ground motion and improving the coherency models used in engineering. This work also opens up new insights and many questions in need of further investigation.