Sismologie observationnelle : phénomènes, échelles de temps, instruments

Présentation de Pascal Bernard (IPGP) au Workshop "Instrumentation Géophysique" | 3-5 juillet 2017, Brissac

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1. 1 Tohoku 2011, M=9.0 Cascades Slow Slip Events (SSE)and Tremors Valoroso et al 2013 Satriano et al. 2015 Dragert et al. 2004 L'Aquial 2009, M=6.3 Shelly et al. 2006 Japan Subduction - FLUIDS creep pore pressure seismicity Tectonics MESURES ET INSTRUMENTS POUR LA SISMOLOGIE OBSERVATIONNELLE Pascal Bernard, IPGP
2. 2 Ide et al., 2007 Séismes: rupture dynamique Déformations transitoires MAGNITUDE Log (TEMPS) creep pore pressure seismicity Tectonics - sismomètrie - géodésie GPS/extensométrie/ inclinométrie/gravimétrie - EM: magnetotellurique, PS, ... Approche observationnelle intégrée pour un suivi continu des processus Deux classes de déformation transitoires: Séismes ordinaires et séismes lents
3. 3 Ide et al., 2007 REGULAR AND SLOW EARTHQUAKES: TRANSIENT MECHANICAL PROCESSES IN THE CRUST Dynamic rupture Transient deformation MAGNITUDE Log (time) 3 s 10-7m/s 10-7m/s 1 hour 1 week 5 cm 6 months trem or M=4.0 cm 5 min M=9 1 s 1 mm M=4 Ide 2007
4. Idéalement: Capteurs - moins cher - meilleure résolution - plus grande dynamique - plus grande robustesse - nouveaux principes : sismologie rotationnelle – gradients de gravité - ….???…. sur site: - installation facile et pas chère - maintenance facile et pas chère - infrastructure partagée : antennes , multicapteurs (fond de mer, forages) - installations en environnement difficile : fond de mer, forage profond, haute température, environnement bruité (EM : anthropique, foudre) Capteurs intégrés en réseau + télémétrie + gestion automatique pour base de données Comment? Mesure des phénomènes sur le terrain
5. MICROSEISMES Améliorer leur détection et caractérisation Rift de Corinthe: Sismicité sur les failles superficielles et sous le golfe 20 stations sismos: geophones SERCEL 2 Hz en forage superficiel 70 -100 m GURALP CMG40 en surface GURALP DM24 en forage à 200 m STS2 et 2 CMG3 en surface (2 m) magnitude de complétude: M=1.5 Voir mieux: Antennes... Forages plus profonds....
6. Parkfield, Californie, F. San Andreas Réseau HRSN - forage 200-300 m Geophones 2 Hz – 250 Hz Magnitude de complétude : Ml=0 - structure très fine de la faille - base de données de repeaters → fluage de la faille - trémors tectoniques profonds (25-30 km) Waldhauser and Schaff, 2008 Shelly Johnson 211
7. Observatoire profond de SAFOD Faille de San Andreas Projet: Forage/carottage/instrumentation : 25 M$ 2002- forage pilote 2004 début forage SAFOD 54° tilt, 110°C, Z=2.9 km Sept 2008 Installation observatoire 3 Sismos 15 Hz, 3 MEMs - Numérisation au fond - 4 KHz Peu après installation : panne pb de conditionnement (0.4 au lieu de 2.6 M$) Reinstrumentation: estimatif 3-20 M$ Numérisation au fond impossible → - Décembre 2008: installation 1 geophone 3C 15 Hz - 2015 installation 1 geophone 3 C 15 Hz Ellsworth and Malin, 2012 onde P piégée dans la zone de faille
8. Observatoire de CORINTHE – AIG10 Corinth : instrumentation du forage AIG10 - site + forage : 1 Meuros - logging : 0.3 Meuros - instruments : 0.25 Meuros Sismos 2.5 Khz - fonctionnement en 2004 puis 2007, qq mois 2 pannes (foudre + vol ; fuite sur connecteur) - coût remise en fonction: ~ 250 keuros … → projet arrêté ... Boulhaia 2012 F. Cornet et al. , 2004 – EC-ICDP
9. installations à haute température - forage profonds (>2-3 km) - >100° - géothermie : par ex. forage de Soultz en Alsace, 200°C à 5 km exploitation industrielle + programme de recherche - volcans : forages aux Antilles et à la Réunion - site de stockage ANDRA... → Options capteurs à fibre optique
10. RESEAUX TRES DENSES / ANTENNE SISMIQUE Alternatives et/ou complément aux forages Nombre de stations: 10 – 100 - 1000 …. cablé ou telemétrie… Coût (très) élevé VALHALL – site EKOFISK en MER DU NORD – exploitant BP 120 km de cable, 2320 capteurs 4C, 250 Hz Mordret, 2015 Tomographie fine du reservoir et de son évolution temporelle
11. EstOf Experiment • 288 Fairfield Nodes • Spacing 1.5km • 30 days during summer 2014 • Deployed in 2 days by 7 teams of two people Vergne et al. 2017 Vertical 10 Hz 250 -2000 sps, GPS 2 GB flash 15-20 jours Prix : • Achat ~ 1500€/node • Location ~2€/jour/node Réseau temporaire en Alsace – EstOf experiment
12. Noise wave field • Most sources are located in the northern Atlantic ocean • Very strong noise directivity • Good temporal repeatability • Local noise amplitude is controled by the lithology Ambient seismic noise properties (1s-5s) Eastern slowness (s.km-1) 1.2s Northern slowness (s.km-1) Beamforming P R1 R0 Lehujeur, Vergne, et al. 2017 Parc SISMOB de l'INSU 65+35 nodes Zland 3C - 5Hz.
13. Microsismicité en mer Crise d'Iquique 2014 Nord Chili on manque de sismomètres permanents en mer... -Ruiz et al., Science, 2014 -Shurr et al. 2014, Nature 2014 -Kato et al., Nature 2016 -Bouchon et al. Nature geoscience, 2016 seismicity
14. Kato et al 2016 Kato 2016 M>=3.5 - Repeaters: pas clair - Peu de contraintes dans le modèle proposé de précurseurs et de SSE on manque de sismomètres permanents en mer...
15. 1999-2011 M>6.5 Bouchon et al 2013 Interplate earthquakes: subduction transform Précurseurs sismiques: révèlent une phase de nucléation? Résultat statistique sur plusieurs grands séismes: pour une zone, il faut améliorer la détection/localisation on manque de sismomètres permanents en mer... Activation sismique avant les grands séismes
16. Sismomètres en mer OBS autonomes : .. pas de télémétrie.. → recupérer les données avec des gliders ou des messagers … pas de temps réel … inadapté aux Observatoires Instruments cablés avec aterrage : ex. réseau S-NET au Japon Instruments sur bouée ancrée au large type DART (tsunamis) : puissance limitée Sismomètres dérivant type MERMAID: - possibilité d'avoir des antennes dérivantes (flutes)? - possilité de largage en mission postsismique?
17. OBSERVATOIRE SOUS-MARIN S-NET , JAPON Start May 2016 – objectives: earthquakes and tsunamis - 150 observatories - 5700 km cable électrifié - 320 Meuros
18. Essaim sismique avril 2017 Projet Interreg PREST– 2017-2020 SISMO + INCLINO optique 3-4 km offshore Sud de Saintes Cable optique 100 keuros Séisme des Saintes 2004 – M=6.2 Sismomètre optique LINES: projet d'installation fond de mer aux Antilles
19. Grands séismes vus par les antennes de sismomètres Antennes télésismiques Corrélation de phase sur le réseau → Détail de la rupture: sources HF/BF, vitesses de ruptures,.. Antennes locales pour mouvement faible (microséismes) saturent pour les gros séismes besoin d'antennes sismiques locales ( km) pour mouvement fort: → réseaux très denses d'accéléromètres → fibre optique - DAS – résolution 10-6 strain – auscultation de la fibre - sur déclenchement - application sous-marines
20. Très grands séismes: signal gravitationnel Detection et mesure de magnitude des grands séismes avec des sismomètres/gravimètres avant l'arrivée de l'onde P: mesure de ü-g Montagner et al. 2016: 500 km - signal de 10-9 m/s2 Mesure directe de gradient de g(t): - développés pour la physique des ondes gravitationnelles Barres de torsion Gradiomètre de gravité supraconducteur Interferomètres à atomes - Extensomètres ou inclinomètres de grande précision ? Montagner et al. 2016
21. Grands séismes GEODESIE - GPS comme sismomètre: traitement en temps réel pour les alertes Meilleure estimation du moment sismique et du risque tsunami - Detection ionosphérique - - Detection atmosphériques – infrasons -
22. Gomberg, 2014, Cargese Ide et al. 2007 DETECTION SISMIQUE
23. SEISMES LENTS - GPS - inclinomètre longue ou courte base - extensomètres de forage …. Gomberg, 2014 Cargese
24. Extensomètres de forage: très grande sensibilité 10-10 mais: - coûteux , + installation délicate en forage (cimentation) - mesure “ponctuelle” (capteur 2-4 m) – bruit / distortion Exemple de Corinthe: 3 extensomètres Sacks Evertson 150 m 150 keuro/site Bernard et al., 2008 Borehole strainmeter, Trizonia  = 3.10-8 SSE during 2002 swarm Patras
25. Inclinomètres : - longue base : installation délicate et longue – necessite tranchée ou site soutterain accessible (mine) – problèmes de fortes secousses - → inclinomètre optique longue base LINES: grande précision de la mesure optique grande robustese liée à l'absence de pièces mobiles simplicité/ubiquité d'installation en forage horizontal/incliné - courte base en forage : stabilité médiocre à moyen et long terme – semaines/mois – dérive électronique → inclinomètre pendulaire optique LINES
26. U GPS = K1 . Mo / D2 ~ Uo (R/D)2 tilt = K1 . Mo / D3 ~ Uo/R (R/D)3 ~ Uo R2/D3 Static displacement and strain/tilt field for a dislocation Size R Distance D U GPS /tilt ~ D GPS is better at large distances Resolution of GPS ~1 mm Resolution of tilt / strain ~ 10-8 Equal noise limit for D ~ 10-3/10-8 ~100 km But: strainmeters and tiltmeters have long period noise and drift Resolution gets poorer at periods of weeks and months – site dependent
27. E1 seismicity E1 E3 E2 E4 -10 -8 -6 4 -2 0 2 4 Long x104 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 Lat x 104 SANT E4 E1 E2 E3 Crise présismique d'Iquique, 2014 Nord Chili Glissements lents détectés par inclinométrie longue base et GPS Mw de 6.0 à 6.5
28. Effect of the April 1rst, 2014, M=8.1 earthquake on the Santa rosa tiltmeter before... after...
29. 1999-2011 M>6.5 Bouchon et al 2013 précurseurs sismiques: révèlent une phase de nucléation? - améliorer la détection/localisation - détecter directement la phase de nucléation = séisme lent Besoin de géodésie sous-marine
30. Besoins: - Antennes et réseaux très denses - Se rapprocher des sources/diminuer le bruit: Installation en forage profond et en sous-marin Capteurs - meilleure résolution, plus grande dynamique, plus grande robustesse - réduire les côuts - simplifier l'installation et la maintenance infrastructure partagée : antennes , multicapteurs sur cable (fond de mer, forages)