Atténuation des ondes sismiques dans les milieux diffusifs : apports de la simulation numérique et estimations à partir du bruit sismique ambiant

Seismic wave attenuation in scattering media : insights from numerical simulations and estimates from seismic ambient noise

• Auteur / Autrice : Malcon Humberto Celorio Murillo
• Direction : Emmanuel Chaljub, Laurent Stehly
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 19/01/2024
• 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 : Cécile Cornou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Gélis, Marie Calvet, Florent Brenguier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Germán Andrés Pietro Gomez, Luis Fabián Bonilla

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sismologie

Mots clés libres

Sismologie

Attenuation

Vibrations ambiantes

Seismology

Attenuation

Ambient noise

Résumé

Parmi les processus physiques qui contrôlent les caractéristiques des ondes sismiques, l'atténuation est probablement le facteur le moins compris et le plus mal estimé. Globalement, l'atténuation sismique est contrôlée par deux mécanismes: la diffusion, qui est la redistribution d'énergie due aux hétérogénéités à petite échelle; et l'absorption, qui est la dissipation d'énergie due à la présence de fluides ou à la friction interne. Estimer ces propriétés est crucial pour la prédiction appropriée des mouvements sismiques du sol lors d'un tremblement de terre, ainsi que pour caractériser les structures à petite échelle de la Terre. Malgré cette importance, l'estimation des propriétés d'atténuation et de leurs effets sur la prédiction des mouvements sismiques demeure, dans une certaine mesure, sujette à des interprétations incertaines. Nous présentons une étude complète sur l'atténuation des ondes sismiques dans des milieux hautement hétérogènes, dans laquelle nous utilisons des simulations numériques, des modèles théoriques et des données réelles provenant du bruit sismique ambiant.La première partie de notre travail consiste en l'analyse de la propagation des ondes SH dans des milieux aléatoires 2D. À l'aide d'un ensemble de comparaisons entre résultats de simulations numériques du champ d'ondes complet et ceux de modèles théoriques tels que le champ moyen et le transport radiatif, nous proposons une procédure de vérification qui vise à éclairer la compréhension des effets de diffusion dans les simulations des mouvements du sol. De plus, nous étudions la transition entre différents régimes de propagation, passant des comportements balistiques aux comportements diffusifs à partir de l'exploitation des enveloppes d'énergie des sismogrammes synthétiques. Nous nous concentrons sur la dépendance avec la distance du pic d'énergie des enveloppes, qui est un paramètre clé pour l'évaluation du risque sismique. Ainsi, en analysant la décroissance avec la distance et les fluctuations statistiques du pic de l'énergie, nous mettons en évidence une distinction claire entre les rôles des libre parcours moyens de diffusion et de transport.Le but final de ce travail est de proposer une technique permettant de caractériser séparément les propriétés d'absorption et de diffusion des ondes sismiques à l'échelle locale. À cette fin, nous utilisons des données continues de bruit sismique ambiant sur une période de quatre ans au volcan Piton de la Fournaise, pour des fréquences comprises entre 0,5 et 4 Hz. Notre technique consiste à profiter des avantages que différentes gammes de distances de propagation peuvent offrir. De cette manière, les mesures d'atténuation sont effectuées en deux étapes : (i) nous caractérisons d'abord l'absorption en utilisant de courtes distances de propagation, car les enveloppes d'énergie correspondantes présentent des durées de coda suffisamment longues pour mesurer une décroissance robuste dans le temps; et après (ii) l'atténuation due à la diffusion est mesurée à partir de distances de propagation longues, car les effets des inhomogénéités à petite échelle deviennent plus prononcés et facilement distinguables lorsque la distance augmente.

Among the physical processes that control the characteristics of seismic waves, attenuation is probably the least understood and the most poorly estimated factor. Globally, seismic attenuation is controlled by two mechanisms: scattering, which is the energy redistribution due to small-scale heterogeneities; and absorption, which is the dissipation of energy due to the presence of fluids or internal friction. Estimating these properties is crucial for the appropriate prediction of the earthquake ground motions, as well as to characterize the small-scale structures of the earth. Despite its relevance has been widely recognized, the estimation of attenuation properties and their effects on the predicted ground motion remains, in some extent, unclear for interpretation. Here we present a comprehensive study on the attenuation of seismic waves in highly heterogeneous media, in which we make use of numerical simulations, theoretical models and real data from seismic ambient noise.The first part of our work consists in the analysis of the SH wave propagation in 2D random media.By a set of comparisons between results from numerical simulations of the full-wavefield with those from theoretical models such as the mean field and the radiative transfer theories, we propose a verification procedure that aims to shed some light on the understanding of the scattering effects in the ground motion simulations. Additionally, we study the transition between different propagation regimes, from ballistic to diffusive behaviors by exploiting the energy envelopes of our synthetic full-waveforms. We focus on the distance dependence of the peak energy envelope, which is a key parameter for the seismic hazard assessment. Thus, by analyzing the decay with distance and the statistical fluctuations of the peak energy, we show a clear distinction on the roles of the scattering and the transport mean free paths.The final goal of this work is to propose a technique to characterize separately absorption and scattering properties at a local scale. To this end, we use continuous data of seismic ambient noise over four years at the Piton de la Fournaise volcano for frequencies between 0.5 and 4 Hz. Our technique consists in profiting the advantages that different ranges of propagation distances can exhibit. In this way, attenuation measurements are performed in two stages: (i) we first constrain absorption by using short propagation distances as the corresponding energy envelopes show coda durations long enough to measure a robust decay with time; and secondly (ii) scattering attenuation is measured from long propagation distances since the effects of small-scale inhomogeneities become more pronounced and easly distinguished when distance increases.