Métamatériaux pour les Ondes Sismiques – META-FORET

Pourquoi la physique des ondes présente-t-elle peu d’expériences de physique complexe à grande échelle? Les ondes obéissant généralement à la même équation de propagation, pourquoi observe-t-on rarement de phénomènes de physique ondulatoire à l’échelle géophysique, par exemple? Bien sûr, ce qui semble facile en environnement contrôlé à l’échelle du laboratoire peut s’avérer très pénible à mettre en place à grande échelle où il est parfois impossible de déployer un grand nombre de capteurs autonomes.
Depuis quelques années, cependant, les sciences de la terre, et notamment la géophysique, vivent une révolution technologique avec la multiplication d’acquisitions sur de très denses réseaux de sismomètres, incluant parfois plus de dix mille capteurs. Ces campagnes sismiques restaient encore récemment l’apanage de riches compagnies pétrolières. Mais les choses évoluent et le coût financier de ces acquisitions devient maintenant abordable pour la recherche académique. En anticipant un peu, nous sommes mêmes prêts d’un point critique où l’excellence des données géophysiques dépassera notre compréhension des phénomènes physiques sous-jacents.
Le projet présenté a pour but de combler ce manque avec une approche multidisciplinaires proposée par une équipe de physiciens, de géophysiciens et d’ingénieurs qui partagent un intérêt commun pour la propagation d’ondes en milieu complexe. Le but du projet est de réconcilier la physique ondulatoire complexe avec les observations à grande échelle.
Plus précisément, nous souhaitons réaliser des expériences sur la physique des métamatériaux dans deux configurations propres à la géophysique. Dans la première, nous montrerons qu’une forêt naturelle se comporte comme un métamatériau pour les ondes sismiques. L’idée est que chaque arbre de la forêt agit comme un résonateur qui piège une petite partie des ondes de surface sismiques. Le comportement collectif des arbres correspondrait alors à celui observé à toute petite échelle (millimètre) dans les métamatériaux optiques. Dans la seconde configuration expérimentale, nous montrerons qu’une distribution spatiale particulière de colonnes de béton enfouies, classiquement utilisées en ingénierie civile pour le compactage de sol, peut aussi se comporter comme une lentille sismique pour les ondes de surface, avec pour effet de réfracter les ondes autour du centre de la lentille en laissant cette zone vierge de toute vibration sismique.
En parallèle avec des simulations numériques 3D et une approche théorique basée sur la géométrie conformationnelle, le but premier du projet META-FORET est ainsi de réaliser deux expériences ambitieuses et novatrices où ~1000 capteurs sismiques déployés sur une surface d’environ un hectare auront pour but de mesurer le champ d’onde sismique dans les deux métamatériaux géophysiques proposés ci-dessus. Cette forte densité spatiale de capteurs est obligatoire pour mesurer précisément les courbes de dispersion (et donc la vitesse des ondes de surface) à l’intérieur comme à l’extérieur du métamatériau. Deux types de source seront utilisées : (1) le bruit sismique ambiant, probablement d’origine anthropique aux fréquences considérées (> 10 Hz) et (2) un signal source contrôlé et transmis au sol par un pot vibrant. L’analyse de la dispersion des ondes au sein des deux métamatériaux (une forêt naturelle ou un chantier de compactage de sol par colonnes enfouies) nous permettra d’envisager de potentielles applications au « cloaking » sismique à haute fréquence en ingénierie civile.
Nous sommes convaincus que ce projet présente des applications importantes en géophysique et en ingénierie civile à plus ou moins long terme. Par exemple, les bandes de fréquences interdites pourront être exploitées pour réduire le bruit sismique ambiant à des endroits où les vibrations du sol peuvent être un problème pour la qualité de mesures scientifiques de haute précision (vibrations locales de larges antennes astronomiques).