Inversion de mesures d’ondes guidées pour caractériser la croûte terrestre

Inversion of guided wave propagation measurements to characterize the Earth’s crust

Lieu / place : Institut des Sciences de la Terre, Université Joseph Fourier – GRENOBLE
Durée / duration  : 6 mois
Mots-clés / Keywords : ondes guidées/ guided waves, problèmes inverses / inverse problems, caractérisation / characterization

Contacts :
–  Ludovic Moreau (ludovic.moreau ujf-grenoble.fr)
–  Eric Larose (eric.larose ujf-grenoble.fr)

Sujet :

La propagation des ondes sismiques est sujette à des phénomènes physiques complexes. Dans la partie superficielle de la croûte terrestre, aux échelles allant de quelques mètres à quelques kilomètres, ces ondes peuvent être partiellement piégées dans les superpositions de couches fines de la structure. Ces empilements de couches se comportent alors comme des guides d’ondes élastiques à fuite. Les ondes guidées étant sensibles aux paramètres géométriques et élastiques du milieu de propagation elles sont utilisées dans plusieurs domaines de la Physique pour caractériser un milieu [1,2] après résolution d’un problème inverse. L’enjeu du stage est d’utiliser ces propriétés pour des applications en géophysique, incluant la surveillance de l’épaisseur de la banquise, la caractérisation de failles... Des méthodes de traitement spécifiques issues de l’acoustique physique permettent une analyse spatio-temporelle du champ d’onde dans les milieux bruités et atténuants, grâce à une projection des mesures de propagation sur le sous-espace signal [3]. Un des objectifs du stage sera d’appliquer ces méthodes à des signaux obtenus par corrélations de bruit ambiant [4] pour calculer les courbes de dispersion des guides d’onde, c’est-à-dire la représentation modale de la propagation sous forme fréquence-nombre d’onde (Fig. 1). La stage se déroulera donc selon deux axes : la mesure de la propagation d’ondes guidées d’une part, et le développement d’un modèle efficace permettant de résoudre le problème inverse (caractérisation des guides géophysiques) d’autre part.
Dans un premier temps des études expérimentales seront réalisées sur des dispositifs composés d’un réseau d’accéléromètres implanté sur une surface modèle. Cette étude à l’échelle du laboratoire permettra de déterminer la sensibilité de la méthode mise au point aux caractéristiques du guide d’onde, telles que les irrégularités géométriques ou la présence de fissures (diffusion multiple). Plusieurs dispositifs sont déjà opérationnels au laboratoire : 1) plaque métallique dans l’air 2) réplique de la banquise en chambre froide (LGGE), 3) réplique de glissement de terrain sur plan incliné… Le problème inverse sera résolu grâce à un modèle efficace qui sera développé durant la thèse et qui permettra de prendre en compte ces caractéristiques. Cette procédure de caractérisation sera ensuite testée sur 1) des données réelles déjà acquises : glissement de terrain du site des Diablerets (Suisse) ou de Char d’Osset (Savoie) ou 2) des données à acquérir avec des dispositifs de géophysique légers (sismique urbaine). Une dernière option, facultative, sera de profiter des éventuelles données de sismologie de la banquise (projet Wavesimm, 2015).

Abstract :
Propagation of seismic waves is influenced by complex physics. In the Earth’s crust, at scales ranging from a few meters to a few kilometers, these waves may be trapped in thin layers stacked in the Earth structure, which then behave like elastic waveguides. Guided waves being sensitive to the geometrical and elastic properties of the propagation medium, they are used in several areas of physical acoustics to characterize materials [1,2], by solving the inverse problem. The aim of the PhD is to use these properties for applications to Geophysics, including the assessment of risks linked to landslides, the monitoring of sea-ice thickness, the characterization of urban soils (compressed) and vegetal soils (reinforced by plant roots). Specific data-processing methods originated in physical acoustics allow for a spatiotemporal analysis of the acoustic field, even in noisy and dissipative media, thanks to a projection of the data onto the signal subspace [3]. One of the objectives of the PhD will be to apply these methods to signals obtained from ambient noise correlations [4], so that the dispersion curves of the waveguide may be calculated, i.e. a modal representation of the wave of the form frequency-wavenumber (Fig. 1). The internship will follow two main axes : measuring guided wave propagation at the geophysics scales and developing an efficient model to solve the inverse problem (characterization of the geophysical waveguides).

First, experimental studies will be conducted thanks to experimental setups composed of a sensor network placed on small-scale waveguide models. To this end, ambient noise correlations-based signal-processing methods3 will be adapted to guided wave propagation, using techniques from physical acoustics4. This laboratory-scale experiment will allow the study of the signal-processing sensitivity to the characteristics of the waveguide, such as geometrical irregularities or the presence of cracks (multiple scattering). Several experimental setups are already in use at the laboratory : 1) aluminium plate in air, 2) small scale model of sea ice (LGGE), small scale clay landslide on an angled base… The inverse problem will then be solved thanks to efficient forward modelling that takes into account these characteristics. This procedure will then be applied to 1) real data from landslides already measured at the sites of the Diablerets (Switzerland) or the Char d’Osset (Savoie, France) or 2) real data to be measured with light geophysics equipment (e.g. in urban seismology). Another optional possibility may involve the processing of data from sea ice seismology (obtained during project Wavesim, 2015).

Références / References
1 J. Vishnuvardhan , C.V. Krishnamurthy, K. Balasubramaniam, Blind inversion method using Lamb waves for the complete elastic property characterization of anisotropic plates, J. Acoust. Soc. Am. 125(2):761-71 (2009), http://dx.doi.org/doi: 10.1121/1.3050253
2 J. Foiret, J.-G. Minonzio, P. Laugier, M. Talmant, Determination of bone properties from Lamb type of waves, ASA Conf. Proc., POMA 19, 075091 (2013) ; http://dx.doi.org/10.1121/1.4800347
3 L. Moreau, J.-G. Minonzio, M.Talmant and P. Laugier, Measuring the wavenumber of guided modes in waveguides with linearly varying thickness (J.Acoust. Soc. Am. accepted)
4 C. Hadziioannou, E. Larose, A. Baig, P. Roux and M. Campillo : Improving Temporal Resolution in Ambient Noise Monitoring of Seismic Wave Speed, J. Geophys. Res. 116, B07304 (2011). doi:10.1029/2011JB008200