La première typologie de sources sismiques gravitaires pour l'analyse des mouvements de terrain
Publié par Redbran le 12/02/2019 à 14:00
Source: CNRS-INSU
Les glissements de terrain génèrent des ondes sismiques, comme l'ont montré de précédentes mesures à partir de sismomètres placés à proximité de pentes instables. Toutefois, l'analyse de ces ondes reste un défi, en parti dû à la diversité des signaux sismiques et des nomenclatures adoptées. Les chercheurs de différents laboratoires (1) ont compilé et analysé les observations de plusieurs glissements répartis dans le monde (Le mot monde peut désigner :) afin de proposer la première classification générale de ces sources et de leurs signaux sismiques.

Les instabilités gravitaires sont des aléas naturels qui ont de forts impacts sur les sociétés humaines. Pour limiter les risques associés, une meilleure compréhension de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) qui contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) la rupture des versants instables est nécessaire. L'écoute (Sur un voilier, une écoute est un cordage servant à régler l'angle de la voile par rapport à l'axe longitudinal du voilier et en conséquence l'angle d'incidence du vent sur la voile. Il y a une écoute...) sismique a démontré qu'il était possible d'obtenir des informations sur les processus qui se déroulent en leur sein. Cette approche peut permettre de mieux comprendre l'occurrence d'accélérations brusques en lien avec les forçages climatiques, tectoniques, ou anthropiques. A terme, combiné à d'autres moyens d'observations, l'écoute sismologique pourrait permettre une surveillance en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel de la stabilité d'un versant (En géomorphologie, un versant est une surface topographique inclinée, située entre des points hauts (pics, crêtes, rebord de plateau, sommet d'un relief) et des points bas (pied de...). Cependant les processus à l'origine des signaux sismiques enregistrés par les réseaux déployés sur ces versants instables sont encore mal compris. Cela est dû en partie à l'hétérogénéité des réseaux d'instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) déployés, à la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en sociologie, en informatique ou en sciences de...) des zones étudiées (topographie complexe, différence de rhéologie, état d'altération du milieu) et à la variété des processus physiques qui peuvent se produire au sein d'un versant instable.


Figure 1. Modèle conceptuel des sources sismiques d'origine gravitaire sur un versant instable avec (a) un écoulement saturé en eau (e.g. lave (La lave est une roche en fusion, plus ou moins fluide, émise par un volcan lors d’une éruption. La lave est issue d'un magma, réserve de roche en fusion située dans l’épaisseur...) torrentielle, coulée de boue), (b) un écoulement granulaire sec (e.g. avalanche de débris), (c) une chute de blocs, (d) une ouverture de fracture (En traumatologie, le terme de fracture désigne par définition une solution de continuité osseuse ("rupture" des os).) en tension (La tension est une force d'extension.), (e) une ouverture de fissure en tension, (f) un processus de frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) et (g) la migration de fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des...) dans une fracture.

Grâce à l'analyse d'enregistrements sismologiques acquis sur 13 versants instables répartis autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au...) du Globe, l'équipe de chercheurs propose la première typologie standard des signaux des sources sismiques induites par la déstabilisation des versants instables (ouverture de fracture, cisaillement, écoulements, effondrements - Figure 1). Pour produire cette typologie, l'approche retenue a été de définir des attributs propres aux signaux sismiques générés par chaque type de source en tenant compte notamment de la nature des ondes sismiques (fortement influencées par le milieu dans lequel elles se propagent) et de la disparité des caractéristiques des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une...) sismologiques. Pour permettre la comparaison des signaux sismiques, un prétraitement systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour objet de dénombrer et de classer les taxons dans un certain ordre, basé sur des principes divers. Elle ne...) des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) a été mis en place (correction instrumentale, filtrage) et neufs attributs sur la forme d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) et le contenu fréquentiel des signaux sismiques ont été sélectionnés (durée du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps...), coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un...) de dissymétrie du signal, nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de pics dans l'enveloppe du signal, durée d'autocorrélation du signal, fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...) moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient...), fréquence du pic d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) maximale, la bande passante (La bande passante (angl. bandwidth) est un intervalle de fréquences pour lesquelles la réponse d'un appareil est supérieure à un minimum. Elle est...), et les fréquences minimales et maximales du signal).

L'analyse comparée des signaux a permis de définir trois classes principales de sources sismiques communes à toutes les instabilités gravitaires étudiés: “slopequake” (SQ), “rockfall” (RF) et “granular flow” (GF). Pour la classe "slopequake" (SQ), des sous-catégories sont proposées en relation avec le contenu fréquentiel du signal:"low-frequency slopequake" (LF-SQ), "high-frequency slopequake" (HF-SQ), "hybrid slopequake" (Hybrid-SQ), "slopequake with precursors" et "tremor-like slopequake".


Figure 2. Synthèse de la classification avec les valeurs pour chaque attribut et un exemple de forme d'ondes pour chaque classe.

Les auteurs de l'étude indiquent que cette première typologie ainsi que la démarche d'analyse proposée sont une première étape pour comparer les observations sismologiques et les catalogues de micro-sismicité créés sur de nombreux versants instables. La typologie va permettre:
- d'expliquer la variabilité des sources dites 'slopequakes' observée sur les versants instrumentés ;
- de mieux comprendre la physique des différentes sources sismogéniques ;
- de mieux appréhender les variations spatio-temporelles de l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) sismique en lien avec les déformations de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) et les différents forçages.

Cette démarche visant à aboutir à une typologie standard est aussi une étape importante pour le déploiement de solutions automatiques de classification des sources sismiques propres aux glissements lents mais aussi à d'autres objets géologiques comme les volcans, les glaciers ou les réservoirs.

Note:
(1) Dont, parmis les laboratoires français, l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de physique du globe de Strasbourg (IPGS, CNRS/EOST/Université de Strasbourg) et l'Institut des sciences de la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) (ISTERRE, CNRS/OSUG/Univ. de Grenoble-Alpes/Univ. de Savoie/IRD/IFSTTAR)

Pour en savoir plus:
La librairie des signaux sismiques utilisés pour construire la classification est disponible en ligne sur le site du Service National d'Observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique...) OMIV (Observatoire Multi-disciplinaire des Instabilités de Versants):
http://www.ano-omiv.cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr/ressources/library/landslide-seismic-signals/library-of-signals

Références publication:
Provost, F., Malet, J.-P., Hibert, C., Helmstetter, A., Radiguet, M., Amitrano, D., Langet, N., Larose, E., Abanco, C., Hürlimann, M., Lebourg, T., Lévy, C., Le Roy, G., Ulrich, P., Vidal, M., Vial, B. (2018) Towards a standard typology of endogenous landslide seismic sources Earth Surface Dynamics doi:10.5194/esurf-6-1059-2018

Contact chercheur:
-Jean-Philippe Malet, IPGS/EOST
-Floriane Provost, IPGS/EOST
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