Quand les océans chuchotent aux aquifères
Publié par Adrien le 27/11/2017 à 00:00
Source: CNRS-INSU
Une étude réalisée par des chercheurs issus de l'Observatoire royal de Belgique, du laboratoire Géosciences Rennes (OSUR, CNRS / Université Rennes 1), de l'Institut des sciences de la Terre (ISTerre/OSUG, CNRS / UGA / IRD / IFSTTAR / USMB) et de 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...) fédéral allemand des géosciences (Allemagne) montre le fort potentiel des méthodes de bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) sismique pour ausculter en continu les stocks d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) dans les milieux souterrains à partir d'observations (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 la très grande...) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...). L'étude s'appuie sur un jeu de 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.) exceptionnel, consistant en 30 années d'observations sismiques continues, enregistrées avec les mêmes capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique,...) en Allemagne.


Carte topographique de la zone d'étude indiquant les stations sismiques (triangles rouges), la zone de sensibilité maximale (fin contour noir), les piézomètres (numéros 1 à 3) et la mesure de débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.) de Bärenthal (lettre B).
L'eau souterraine est une ressource vitale à la fois pour l'humanité et les écosystèmes. Face aux défis posés par les changements globaux, il est indispensable de bien comprendre la réponse des aquifères aux pressions climatiques et anthropiques. Aujourd'hui, la surveillance est classiquement assurée par des réseaux de piézomètres, mais de nouvelles méthodes géophysiques ont récemment émergées pour compléter les suivis à l'échelle locale (géophysique appliquée, gravimétrie au sol) ou à l'échelle du pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui subsiste le plus...) (gravimétrie satellitaire). Cependant, il n'existe pas de méthode robuste pour couvrir l'échelle régionale, pourtant critique pour les questions de ressources en eau.


Variations de vitesse dv/v, comparées aux résultats des modélisations environnementales. (A) dv/v observées (noir), modélisation de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) thermo-élastique (rouge) et hydrologique (bleu), et du modèle de mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération...) (tirets noir) ; (B) dv/v corrigées de la contribution hydrologique (noir), comparées à la contribution thermo-élastique (rouge) ; (C) dv/v corrigées de la contribution thermo-élastique (noir), comparées à la contribution hydrologique (bleu) et à l'indice de l'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine.) atlantique multi décadaire (vert).
Les méthodes sismiques dites passives sont en rapide développement depuis le début des années 2000. Elles consistent à exploiter le bruit sismique généré en continu par les océans (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit en...). En effet, la houle (La houle est un mouvement ondulatoire de la surface de la mer. C'est une oscillation sinusoïdale régulière qui est légèrement différente des vagues car la houle se déplace sur de grandes ditances contrairement aux vagues qui restent...), générée par les tempêtes, induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou...) sur le fond des océans et sur les côtes des variations de pression qui sont alors converties en ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte...) sismiques de faible amplitude (Dans cette simple équation d’onde :), que les sismomètres installés sur les continents enregistrent. Il est ainsi possible de déterminer les variations de vitesse des ondes sismiques entre les stations avec une très grande précision. Or, ces variations étant liées notamment aux modifications de l'état mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref,...) des milieux souterrains, elles peuvent s'interpréter comme la réponse du milieu solide aux variations de stock/pression d'eau dans les aquifères.

L'essentiel de la démarche des chercheurs a consisté à bien comprendre le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...) de ces données indirectes et à définir la méthodologie pour en extraire la composante hydrologique. Pour cela, 30 ans d'enregistrements continus de quatre stations sismiques du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle...) Gräfenberg (Allemagne) ont été traités. Ces enregistrements montrent des variations interannuelles de vitesse de l'ordre de 0.01 %. Deux processus de surface ont été disséqués pour expliquer les variations observées:
- la diffusion des ondes (La diffusion est le phénomène par lequel un faisceau de rayonnement (lumineux, acoustique, neutronique, rayons X, etc.) est dévié dans de multiples directions (on peut parler...) thermiques dans les milieux souterrains. Les variations interannuelles de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...) ont notamment un effet important, puisqu'elles pénètrent des épaisseurs importantes, en gardant en mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) les évènements du passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur...) ;
- les variations de stock dans les systèmes aquifères. Bien que les variations de stock se localisent en profondeur dans des couches aquifères, les variations de vitesse sont très importantes.

Les réseaux de surveillance sismologique se sont constitués aux échelles nationale et globale depuis les années 1960 et de longues chroniques temporelles reposant sur une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les liquides...) de capteurs qui ne cesse de croitre sont donc disponibles, notamment via l'infrastructure RESIF. Les méthodes d'analyse de bruit sismique offrent donc d'énormes possibilités pour la surveillance à long terme des stocks d'eau souterrains à partir des observations de surface. Dans un avenir proche, l'objectif est de pouvoir analyser des images du sous-sol en 4D [dans les 3 dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre...) de l'espace et dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.)] par l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) de différentes fréquences pour obtenir une meilleure résolution en profondeur, tandis que les variations latérales seront quant à elles mieux estimées par l'utilisation de réseaux sismiques plus denses. Il reste cependant un enjeu de taille pour faire de la sismologie un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus grande...) pour l'hydrologie car les relations pétro-physiques, liant (Un liant est un produit liquide qui agglomère des particules solides sous forme de poudre. Dans le domaine de la peinture, il permet au pigment d'une peinture de coller sur le support,...) la vitesse des ondes et les paramètres hydrologiques, restent très peu contraintes.

Cette étude illustre les profondes interactions qui lient les enveloppes fluides et solides 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 croissantes....). Elle souligne également les larges potentiels de développements scientifiques à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner...) entre "Terre Solide" et "Zone Critique", et les opportunités de rapprochements entre deux infrastructures de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) portées par le CNRS-INSU: OZCAR (Observatoire de la zone critique) et RESIF (Réseau sismologique et géodésique (En géométrie, une géodésique désigne le chemin le plus court, ou l'un des chemins s'il en existe plusieurs, entre deux points d'un espace une fois qu'on s'est donné un moyen de...) français)
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