Estimation des effets de site particuliers à partir du bruit sismique ambiant mesuré sur un réseau dense de capteurs

Site effects estimation from ambient seismic noise measured on a dense array of sensors

• Auteur / Autrice : Loïc Gisselbrecht
• Direction : Pierre Boué, Bérénice Froment
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 05/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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 : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Helle Anette Pedersen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Cornou, Thomas Lecocq
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Chevrot, Luis Fabián Bonilla

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sol, Mouvements du

Effet de site (sismologie)

Mots clés libres

Effets de site

Bruit sismique

Mouvement du sol

Bassin sédimentaire

Amplification

Réseau dense

Site effects

Ambient noise

Ground motion

Sedimentary basin

Amplification

Dense array

Résumé

De nombreux travaux ont montré l’impact des couches géologiques superficielles sur le mouvement du sol lors d’un séisme. La modification du mouvement incident par ces couches est nommée « effet de site ». Certaines configurations géologiques sont propices à des effets de site significatifs pouvant mener à une augmentation de l’amplitude du mouvement sismique en surface et à l’allongement de sa durée. Il est donc important de prendre en compte ce phénomène dans l’évaluation de l’aléa sismique, comme le stipule la Règle Fondamentale de Sûreté RFS 2001-01 pour les installations nucléaires.L’IRSN mène des études pour améliorer l’estimation des effets de site via des approches empiriques et numériques. Ces approches nécessitent de nombreux enregistrements de séismes. En zone de sismicité faible à modérée, comme en France métropolitaine, le temps de retour des séismes modérés à forts est long, et donc limitant. Emerge alors l’intérêt du bruit sismique. Le bruit sismique correspond aux faibles vibrations de la surface de la Terre. Généré par des activités naturelles ou anthropiques, il a pour caractéristique d’être permanent. Ainsi, il constitue une source de données exploitable, même en région de faible sismicité.Cette thèse vise à étudier, par approches empiriques, le potentiel du bruit sismique dans la caractérisation des effets de site. Elle exploite le bruit sismique enregistré sur un réseau de 400 capteurs nodes déployé dans la vallée du Tricastin (paléovallée du Rhône) dans le cadre du projet DARE (Dense ARray for seismic site effect Estimation, 2020-2023). Cette vallée est propice à générer des effets de site importants et complexes. Les objectifs sont : - (1) d’étudier le potentiel du bruit sismique et l’apport d’un réseau dense de capteurs dans l’estimation des effets de site - (2) d’estimer l’amplification associée à la vallée du Tricastin en cas de séisme à partir du bruit sismique - (3) de proposer de nouvelles méthodes d’estimation de l’amplification.L’amplification associée à la vallée a d’abord été estimée à travers le SSRn et le SSRh (méthode hybride combinant données de bruit et de séismes, Perron et al. 2018). Les résultats ont été comparés à des mesures SSR. L'amplification estimée à basse fréquence (f < 1 Hz) est cohérente avec la structure de la vallée. L'estimation de l'amplification à haute fréquence (f > 1 Hz) est plus critique en raison de l'influence des sources anthropiques locales de bruit sismique (zone fortement industrialisée). Le SSRh, qui utilise un capteur de référence au site, fournit tout de même un facteur d’amplification comparable au SSR jusqu’à 4 Hz.Pour limiter l'influence des sources locales, un algorithme de clustering a été utilisé afin de sélectionner les données les moins impactées. L'estimation aux capteurs impactés par des sources transitoires a ainsi été améliorée, mais pas dans les zones impactées par des sources permanentes. Ces résultats démontrent la difficulté d’implémenter une méthode se basant uniquement sur l’amplitude du bruit sismique en zone fortement industrialisée. Nous avons dès lors travaillé sur l’estimation de l’amplification à partir des déconvolutions calculées entre les paires de capteurs. L’idée est que l’information de phase que contient la déconvolution peut aider à filtrer le champ de bruit et ainsi limiter l’impact des sources locales, notamment des sources permanentes. Les déconvolutions ont été calculées en utilisant 7 sources virtuelles distribuées autour de la zone. En traitant les signaux monochromatiques et en sélectionnant la partie des déconvolutions la moins impactée (sélection temporelle), nous montrons qu’il est possible d’atténuer l’impact des sources permanentes jusqu’à quelques Hertz. Les résultats permettent de discuter les avantages et limitations des différentes approches et d’ouvrir des perspectives sur des travaux futurs pour améliorer l’étude des effets de site à partir du bruit sismique dans les zones industrialisées.

Numerous studies have demonstrated the impact of surface geological layers on ground motion during an earthquake. The modification of the incident wavefield by these layers is known as "site effects". Certain geological configurations are prone to significant site effects, which can lead to an increase in the amplitude of seismic movement at the surface and a lengthening of its duration. It is therefore important to take this phenomenon into account when assessing the seismic hazard, as stipulated in the Fundamental Safety Rule RFS 2001-01 for nuclear facilities.The IRSN is conducting studies to improve the estimation of site effects using empirical and numerical approaches. These approaches require a large number of earthquake recordings. In areas of low-to-moderate seismicity, as in mainland France, the return period of moderate to strong earthquakes is long, and therefore limiting. It is therefore of great interest to exploit the ambient noise. Ambient noise corresponds to weak vibrations of the Earth's surface. Generated by natural or anthropogenic activities, its characteristic feature is that it is permanent. This makes it a valuable source of data, even in areas of low seismicity.This thesis uses empirical approaches to study the potential of ambient noise for characterizing site effects. It makes use of ambient noise recorded on a 400 nodes array deployed in the Tricastin Valley (French Rhône Valley) as part of the DARE project (Dense ARray for seismic site effect Estimation, 2020-2023). This valley is prone to generate important and complex site effects. The objectives are to: - (1) study the potential of ambient noise and the contribution of a dense array of sensors in estimating site effects - (2) estimate the amplification associated with the Tricastin Valley in the event of an earthquake, based on ambient noise - (3) propose new methods for estimating amplification.The amplification associated with the valley was first estimated through SSRn and SSRh (hybrid method combining ambient noise and earthquake data, Perron et al. 2018). The results were compared with SSR measurements. At low frequency (f < 1 Hz), the estimated amplification is consistent with the expected geology. Estimation of amplification at high frequency (f > 1 Hz) is more critical due to the influence of local anthropogenic sources of ambient noise (heavily industrialized area). SSRh, which uses a reference sensor at the site, nevertheless provides an amplification factor comparable to SSR up to 4 Hz.To limit the influence of local sources, a clustering algorithm was used to select the least impacted data. Estimation at sensors impacted by transient sources was thus improved, but not in areas impacted by permanent sources. These results illustrate the difficulty of implementing a method based solely on ambient noise amplitude in highly industrialized areas. We therefore worked on estimating amplification from deconvolutions calculated between sensor pairs. The idea is that the phase information contained in the deconvolution can help filter the ambient noise wavefield and thus limit the impact of local sources, particularly permanent ones. Deconvolutions were calculated using 7 virtual sources distributed around the area. By processing monochromatic signals and selecting the part of the deconvolutions least affected (temporal selection), we show that it is possible to attenuate the impact of permanent sources up to a few Hertz. The results allow us to discuss the advantages and limitations of the different approaches, and open up prospects for future work to improve the study of site effects from ambient noise in industrialized areas.