Interférométrie Sismique appliquée aux données du sismomètre SEIS à bord de la mission NASA Discovery InSight : Structure crustale et suivi temporel

Seismic Interferometry applied to the data of the SEIS seismometer aboard the NASA Discovery InSight mission : Crustal structure and monitoring

• Auteur / Autrice : Nicolas Compaire
• Direction : Raphaël F. Garcia, Marie Calvet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et des Planètes Solides
• Date : Soutenance le 06/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Physique spatiale et instrumentation (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département électronique, optronique et signal
• Jury : Président / Présidente : David Mimoun
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël F. Garcia, Marie Calvet, David Mimoun, Alice Le Gall, Nikolai M. Shapiro, Philippe Lognonné, Ludovic Margerin, Chloé Michaut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alice Le Gall, Nikolai M. Shapiro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surveillance

Interférométrie

Astérosismologie

Mots clés libres

Sismologie planétaire

Auto-Corrélation

Interférométrie sismique

InSight

Imagerie

Suivi temporel

Seismic interferometry

Planetary seismology

Autocorrelation

InSight

Imaging

Monitoring

Résumé

Le sismomètre SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) a été déposé à la surface de la planète Mars le 19 décembre 2018 dans le cadre de la mission NASA Discovery InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport). Ses objectifs sont d'explorer la structure interne et l'activité sismique de Mars.Dans cette thèse nous analysons les données transmisent par SEIS sous le prisme de l'interférométrie sismique. Cette technique tire parti des propriétés des champs diffus tels que la coda sismique ou le bruit ambiant pour reconstruire la réponse impulsionnelle du milieu par corrélation d'enregistrements sismiques. L'exceptionnelle sensibilité du sismomètre SEIS rend possible l'étude des caractéristiques du bruit ambiant martien, qui nous étaient inconnues jusqu'alors.En comparant des fonctions d'auto-corrélations de bruit et de coda d'événements sismiques martiens nous avons identifié deux régions du spectre où s'observe le bruit microsismique martien.Une amplification locale du sol autour de 2.4 Hz présente une structure spectrale que nous avons pu relier à la structure crustale de Mars. La réponse en réflexion reconstruite par auto-corrélation a permis de détecter deux interfaces crustales, à ~9 et ~24 km de profondeur, cohérentes avec les fonctions récepteur.Nous montrons également que les composantes horizontales du sismomètre contiennent la signature d'une variation saisonnière des vitesses sismiques dans leurs spectres à hautes fréquences (> 5 Hz). Ces variations, observées également dans la coda de multiplets sismiques hautes fréquences, ont pu être reliées à une réponse thermo-élastique de la subsurface sous l'effet des changements saisonnier du forçage thermique solaire. Cette observation fournie une opportunité de sonder les paramètres thermiques et élastiques de la subsurface martienne jusqu'à plus de 20 mètres de profondeur.

The Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS) seismometer was deposited on the surface of Mars on December 19, 2018 as part of the NASA Discovery InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) mission. Its objectives are to explore the internal structure and seismic activity of Mars.In this thesis we analyze the data transmitted by SEIS in the light of seismic interferometry. This technique takes advantage of the properties of diffuse fields such as seismic coda or ambient noise to recover the impulse response of the medium by correlation of seismic records.The exceptional sensitivity of the SEIS seismometer makes it possible to study the characteristics of the Martian ambient noise, which were unknown to us until now.By comparing autocorrelation functions of seismic ambient noise and Marsquake coda we have identified two regions of the spectrum where Martian microseismic noise is observed.A local ground amplification around 2.4 Hz presents a spectral structure that we were able to link to the crustal structure of Mars. The reflection response reconstructed by auto-correlation allowed us to detect two crustal interfaces, at ~9 and ~24 km depth, consistent with receiver functions analysis.We also show that the horizontal components of the seismometer contain the signature of a seasonal variation of seismic velocities in their high frequency spectra (> 5 Hz).These variations, also observed in the coda of high frequency seismic multiplets, could be related to a thermo-elastic response of the subsurface under the effect of seasonal changes in solar thermal forcing.This observation provides an opportunity to probe the thermal and elastic parameters of the Martian subsurface to a depth of over 20 meters.