Simulations numériques de la propagation des ondes sismiques dans des milieux stochastiques : impact de la variabilité spatiale des propriétés du sol sur le mouvement sismique en surface

​Flomin TCHAWE NZIAHA a soutenu sa thèse le 26 janvier 2021 en visioconférence.

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Lors d’un séisme, le mouvement sismique enregistré en un site donné peut être fortement dominé par la réponse de la géologie de subsurface. En effet, certaines configurations géologiques (par exemple, couche molle sur un encaissant dur, topographie, bassin sédimentaire) sont propices aux piégeages des ondes sismiques conduisant à une amplification du mouvement sismique à certaines fréquences et à un allongement de la durée du signal, on parle dans ce cas d’effets de site. Par ailleurs, les hétérogénéités à petites échelle (quelques mètres à dizaines de mètres) des couches géologiques peuvent redistribuer l’énergie des ondes piégées, ainsi augmentant la variabilité du mouvement sismique enregistré en surface. Les effets de ces hétérogénéités sont très souvent négligés lors du calcul de la réponse d’un site à partir de simulations numériques car la limite de résolution des méthodes classiques d’imagerie géophysique ne permet pas de bien les résoudre. Pour pallier aux limites de résolution des connaissances du milieu, il est commun d’employer des méthodes stochastiques dans lesquelles la variation spatiale des hétérogénéités est supposée aléatoire. Ainsi elles peuvent être caractérisées par une fonction d’autocorrélation (ACF) spatiale. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier l’effet des hétérogénéités de vitesse dans un bassin sédimentaire sur le mouvement sismique enregistré en surface. Pour cela, des simulations numériques 2D de la propagation des ondes sismiques sont réalisées. Deux bassins sont considérés : le bassin de Nice, caractérisé par des études précédentes et instrumenté de plusieurs stations du réseau accélérométrique permanent (RESIF-RAP), et un bassin canonique. Les hétérogénéités des bassins sont modélisées comme un champ aléatoire caractérisé par une ACF Von Karman. Dans un premier temps, des simulations numériques sont réalisées dans le bassin de Nice en considérant une fonction source simple et en faisant varier les paramètres de l’ACF (longueur de corrélation et coefficient de variation) à partir de valeurs issues de la littérature. Les résultats de cette étude de sensibilité montrent que le coefficient de variation contrôle la variabilité du mouvement en surface (valeur maximale de la vitesse, fonction de transfert, spectre de réponse) au premier ordre, devant la longueur de corrélation. Dans un deuxième temps, nous utilisons les données de forages disponibles dans le bassin sédimentaire de Nice pour contraindre les paramètres de l’ACF, en particulier le coefficient de variation et le coefficient de variation dans la direction verticale. Différentes longueurs de corrélation sont testées dans la direction horizontale. Des nouvelles simulations numériques sont ainsi effectuées en utilisant cette fois-ci comme fonction source un signal sismique enregistré au rocher de Nice. La variabilité du mouvement dans le cas présent est étudiée pour un champ d’onde incident plus complexe. Une comparaison entre la fonction de transfert (FT) calculée à partir des résultats de nos simulations numériques et la FT empirique calculée à une station NLIB située sur le profil du bassin est aussi effectuée. Ces résultats montrent que la réponse du bassin de Nice est contrôlée au premier ordre par le modèle de vitesse de référence, et les hétérogénéités gouvernent la variabilité de cette réponse. Enfin, dans un troisième temps, des simulations numériques sont réalisées dans un modèle canonique plus large et plus profond, afin d’évaluer l’influence de la longueur de corrélation et du coefficient de Hurst pour des ondes qui se propagent plus longtemps dans le bassin. Elles montrent que plus la longueur de corrélation est grande, plus la variabilité de la réponse du bassin l’est. Ces résultats mettent en lumière l’importance des hétérogénéités du milieu pour comprendre la variabilité du mouvement sismique dans les bassins sédimentaires.