Quantification de la génération de bruits microsismiques dans la bande côtière et implications pour l'imagerie sismique : apport de la mesure acoustique distribuée sur fibre optique

Quantification of microseismic noise generation in the coastal band and implications for seismic imaging : contribution of distributed acoustic measurement on optical fiber

• Auteur / Autrice : Gauthier Guerin
• Direction : Jean-Paul Ampuero, Diane Rivet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la planète et de l'univers
• Date : Soutenance le 09/03/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géoazur (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Karin Sigloch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Ampuero, Diane Rivet, Karin Sigloch, Fabrice Ardhuin, Laurent Stehly, Olivier Coutant, Benoît Tauzin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Ardhuin, Laurent Stehly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microséismes

Son -- Mesure

Câbles à fibres optiques

Câbles sous-marins

Tomographie sismique

Mots clés libres

Bruit sismique

Corrélation

Tomographie

Analyse de vitesse apparente

Câble sous-marin à fibre optique

Seismic noise

Correlation

Tomography

Apparent velocity analysis

Optical fiber submarine cable

Résumé

Les océans et mers, qui représentent plus de 70% de la surface de la terre sont jonchés de câbles à fibre optique exploités par les réseaux de télécommunications et malgré cette instrumentalisation massive, les fonds océaniques restent relativement inconnus. Depuis une vingtaine d'années, l'intérêt pour les systèmes de capteurs acoustiques distribués (DAS) ne cesse d'augmenter grâce à leur capacité à transformer ces câbles en capteurs sismiques capables de mesurer des perturbations extérieures. Ces interrogateurs DAS peuvent mesurer les interactions acoustiques (sous forme de taux de déformation) le long d'un câble à fibre optique. Ils fournissent une grande ouverture de détection pour l'acquisition de données acoustiques et sismiques à haute résolution dans les domaines temporel et spatial, à terre ou en milieu marin ; l'enregistrement peut se faire sur une large gamme de fréquences (du mHz au kHz) à une résolution spatiale de l'ordre du métrique.Dans notre étude, nous exploitons un câble de 42 km situé au large de Toulon, France, allant de la marge (0 m) jusqu'à la plaine abyssale (2500 m). Ainsi, nous quantifions précisément les ondes de gravité océaniques voyageant jusqu'à la côte, qui se réfléchissent, et mènent à la génération de sources microsismiques (SM) dites « côtières ». En moyenne, 30% de ces ondes sont réfléchies à la côte ; leur intensité influe sur celle du bruit microsismique généré localement, et leur azimut à un impact sur la position des SM qui dominent les enregistrements. Par ailleurs, cette analyse a montré une forte diversité de vitesses apparentes utilisables pour produire une imagerie. Dans un deuxième temps, nous cherchons à comprendre l'impact de ces changements de position des SM sur les vitesses apparentes que l'on sélectionne. Nous montrons que la vitesse réelle (i.e. la vitesse la plus faible) est toujours identique, quelle que soit la puissance de la houle, ce qui montre qu'il existe en tout temps des sources le long de la côte. Par ailleurs, lorsque nous pointons la plus haute énergie - habituellement utilisé lors de tomographies traditionnelles, quelques différences apparaissent (quelques centaines de m/s). Nous montrons qu'il existe plusieurs sources sur des diagrammes de pointée traditionnels. De ce fait, nous avons fait une tomographie en utilisant 900 capteurs linéaires issus d'un segment perpendiculaire à la côte, où la sensibilité de la fibre est maximale. Puis nous avons fait un autre modèle en utilisant des vitesses apparentes, corrigé d'un angle correspondant à la position de source dominante par rapport au câble. Nous montrons qu'il y a des différences significatives entre ces 2 modèles, de quelques centaines de m/s à presque 1000 m/s lorsqu'on augmente en profondeur.

Oceans and Seas, which represent more than 70% of the earth's surface, are littered with fiber optic cables operated by telecommunication networks and despite this massive instrumentalization, the ocean floor remains relatively unknown. For the last twenty years, the interest in distributed acoustic sensor systems (DAS) has been growing due to their ability to transform these cables into seismic sensors capable of measuring external disturbances. These DAS interrogators can measure acoustic interactions (as strain-rate) along a fiber optic cable. They provide a large sensing aperture for acquiring high-resolution acoustic and seismic data in the time and space domains, on land or in the marine environment ; recording can be done over a wide frequency range (from mHz to kHz) at metric spatial resolution.In this work, we operate a 42 km cable located off Toulon, France, going from the margin (0 m) to the abyssal plain (2500 m). We quantify precisely the ocean gravity waves traveling to the coast, which reflect and lead to the generation of microseismic (MS) sources called "coastal reflection". On average, 30% of these waves are reflected at the coast ; their heigh influences the intensity of the microseismic noise generated locally, and their azimuth has an impact on the position of the SM that dominate the recordings. Furthermore, this analysis showed a high diversity of apparent velocities that can be used to produce an image. In a second step, we try to understand the impact of these changes in the position of the SM on the apparent velocities we pick. We show that the true velocity (i.e. the lowest velocity) is always the same, whatever the power of the swell, which shows that there are sources along the coast at all times. Moreover, when we point at the highest energy - usually used in traditional tomography, some differences appear (a few hundred m/s). We show that there are several sources on traditional pointing diagrams. Therefore, we made a tomography using 900 linear sensors from a segment perpendicular to the coast, where the sensitivity of the fiber is maximum. Then we made another model using apparent velocities, corrected by an angle corresponding to the dominant source position with respect to the cable. We show that there are significant differences between these two models, from a few hundred m/s to almost 1000 m/s when increasing in depth.