Modélisation et simulation d'ondes T : modes de Rayleigh et effets 3D - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2019

Modeling and simulating T-waves : Rayleigh modes and 3D-effects

Modélisation et simulation d'ondes T : modes de Rayleigh et effets 3D

Abstract

When an earthquake occurs below the ocean, seismic waves convert at the crust/ocean or solid/fluid interface into low-frequency acoustic waves, known as T-waves, which can propagate in the water column over very long distances.These waves are of great importance for monitoring the submarine seismic and volcanic activity, as they fill a gap of information in the land-based seismological records. The localization of the acoustic source can be deduced by trilateration from T-wave arrival-times at several hydrophones and an acoustic magnitude can be derived from the received levels.Beyond that, the information obtained from T-wave signals remains incomplete since the mechanisms for generating Twaves, the way they propagate and the importance of 3D-effects in the process are poorly known.To investigate these issues, this thesis uses a spectral finite element code (SPECFEM) able to perform full wave-form simulations of both seismic waves in the crust and acoustic waves in the ocean. The analytical model developed in this thesis describes propagating T-waves as Rayleigh modes; this model also predicts the spectrum of PN- and SN-waves, which are precursors of T-waves in records from high magnitude events. In a 2D configuration with a flat bottom and a uniform ocean, the theoretical (analytical solution) and simulated (SPECFEM) T-wave modes and PN- and SN-wave spectra show a very good agreement. The numerical model is thus applied with confidence to configurations for which an analytical model cannot be simply derived: a crust/ocean interface with a seamount, with or without a SOFAR channel in the ocean, and a flat seabed with a short-wavelength roughness. These simulations highlight the conditions necessary for the generation of energetic T-waves and confirm the predominant role of Rayleigh modes in their propagation. The outputs from the model with a rough sea-bottom compare well with hydroacoustic records from a major earthquake occurring below an abyssal plain. A 3D version of SPECFEM is finally used to investigate the importance of 3D-effects in the generation of T-waves. At a distance, different amplitudes and arrival-times are obtained depending on whether a seismic event occurs below a seamount or below a ridge. Hence, source localizations from arrival-times can be biased by 3D topographic effects in the vicinity of the epicenter region.
Lorsqu'un séisme se produit sous l'océan, les ondes sismiques se transforment à l'interface croûte/océan en ondes acoustiques basses fréquences, appelées ondes T, qui peuvent se propager dans la colonne d'eau sur de très grandes distances. Ces ondes sont d'une grande importance pour la surveillance de l'activité sismique et volcanique sous-marine car elles comblent un manque d'information dans les données sismologiques terrestres. La localisation de la source acoustique peut être déduite par trilatération à partir des temps d'arrivée de l'onde T sur plusieurs hydrophones et une magnitude acoustique peut être dérivée des niveaux reçus. Toutefois, les informations obtenues à partir des signaux des ondes T restent incomplètes car les mécanismes de génération des ondes T, leur mode de propagation, et l'importance des effets 3D dans le processus sont mal connus. Pour traiter ces questions, cette thèse utilise un modèle analytique de la génération et de la propagation des ondes T et un code spectral aux éléments finis (SPECFEM) capable d'effectuer des simulations en forme d'onde complète des ondes sismiques dans la croûte terrestre et des ondes acoustiques dans l'océan. Le modèle analytique développé dans cette thèse décrit des ondes T qui se propagent sous forme de modes de Rayleigh ; ce modèle prédit également le spectre des ondes PN et SN, qui sont les précurseurs des ondes T dans les enregistrements d’événements de forte magnitude. Dans une configuration 2D avec un fond plat et un océan uniforme, les modes théoriques (solution analytique) et simulés (SPECFEM) d'ondes T et les spectres d'ondes PN et SN montrent un très bon accord. Le modèle numérique peut donc être appliqué avec confiance à des configurations pour lesquelles un modèle analytique ne peut pas être simplement dérivé s: une interface croûte/océan avec un mont sous-marin, avec ou sans canal SOFAR dans l'océan, et un fond marin plat avec une rugosité à courte longueur d'onde. Ces simulations mettent en évidence les conditions nécessaires à la génération d’ondes T énergétiques et confirment le rôle prédominant des modes de Rayleigh dans leur propagation. Les résultats du modèle avec un fond marin rugueux sont très comparables aux données hydroacoustiques d'un séisme majeur survenu sous une plaine abyssale. La version 3D de SPECFEM permet enfin d'étudier l'importance des effets 3D dans la génération des ondes T. À distance, les amplitudes et les temps d'arrivée diffèrent selon qu'un événement sismique se produit sous un mont sous-marin ou sous une dorsale. Par conséquent, les localisations de la source à partir de temps d'arrivée peuvent être biaisées par des effets topographiques en 3D à proximité de la région de l'épicentre.
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tel-02953022 , version 1 (29-09-2020)

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  • HAL Id : tel-02953022 , version 1

Cite

Jean Lecoulant. Modélisation et simulation d'ondes T : modes de Rayleigh et effets 3D. Sciences de la Terre. Université de Bretagne occidentale - Brest, 2019. Français. ⟨NNT : 2019BRES0046⟩. ⟨tel-02953022⟩
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