Analyse, modélisation et utilisation du bruit sismique large bande: des microséismes aux oscillations libres de la terre – MIMOSA

Le bruit sismique est enregistré par les stations large-bande en l’absence de séismes. Il est créé par le système atmosphère-océan suivant des mécanismes qui varient avec la bande de périodes considérée. Certains de ces mécanismes sont connus depuis des décennies, et d'autres sont encore très discutés, si bien qu'il n'existe pas encore un modèle unifié des sources du bruit pour l'ensemble de la bande de période de 1 à 300 s. Une des difficultés est le manque de connaissance des propriétés des vagues courtes périodes (en dessous de 5 s) et longues périodes (au dessus de 25 s). L’autre difficulté concerne la propagation sismique dans un milieu 3D. Nous proposons de tirer parti des progrès récents dans la modélisation numérique des vagues et de la propagation sismique 3D pour obtenir la première modélisation du bruit large-bande.

Nous allons analyser les différents mécanismes susceptibles de générer les sources de bruit dans les différentes bandes de période. Les microséismes secondaires (bruit de période 3-12 s) sont générés par l’interaction des vagues de même fréquence et venant de directions opposées et nous avons réussi à les modéliser. Les microséismes primaires (bruit de période 10-20 s) sont générés lorsque les vagues arrivent à la côte. Le mécanisme est connu depuis 50 ans mais n’a jamais été validé. Nous proposons de le modéliser dans ce projet. A plus longue période, le bruit est appelé hum mais sa source est mal connue. Nous allons tester différents mécanismes susceptible de générer le hum.

Afin d’améliorer la calibration et la paramétrisation du modèle numérique de vagues et des sources de bruit sismique, nous allons faire des mesures du spectre directionnel des vagues sur une plateforme dans la mer noire. Nous allons également mesurer le spectre de pression complet dans l’océan indien. Ces mesures in situ permettront de raffiner la paramétrisation du déferlement des vagues et la statistique des vagues courtes périodes. Cette modélisation numérique des vagues courtes est déterminante pour comprendre les mesures de l'océan par télédétection active ou passive dans le domaine micro-ondes et leur impact sur les mesures satellitaires de vent, niveau de la mer et salinité.

Nous allons également intégrer les nouvelles mesures pour améliorer la précision des modèles de source de bruit sismique. Concernant la propagation sismique, nous allons utiliser la méthode des éléments spectraux et analyser l’effet de la frontière océan-continent sur l’amplitude du bruit. Nous allons aussi étudier si la propagation des ondes dans un milieu 3D permet d’expliquer l’existence d’ondes de Love. Ces ondes sont observées mais ne peuvent être expliquées par les modélisations actuelles. Nous allons également modéliser les ondes de volume afin de mieux comprendre comment elles sont générées.

Nous allons analyser un grand nombre de données et de synthétiques afin de comprendre la différence entre le bruit enregistré sur les continents, sur les îles, au fond de la mer et dans le canal sofar. Nous allons fournir un catalogue des sources. Un tel catalogue est un outil précieux pour toutes les études utilisant le bruit sismique. Nous allons utiliser le bruit sismique pour rechercher des précurseurs dans deux contextes: avant une intrusion magmatique qui a eu lieu dans les île Canaries en 2012 et avant plusieurs séismes qui pourraient être liés au pompage d’eau de la nappe phréatique. Nous allons également utiliser les ondes de volume extraites du bruit sismique pour faire une étude tomographique du manteau supérieur sous l’Amérique du Nord.

Le projet MIMOSA répondra à une question de connaissance fondamentale sur la nature des sources du bruit sismique. Il fournira des résultats en termes de méthodologie et de bases de données qui seront utile pour l'ensemble des géosciences et plus particulièrement pour des études de la structure de la terre solide ou de la dynamique du système terre-océan-atmosphère.