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Thèse Année : 2023

Monitoring Seismic velocity changes in the upper crust and aquifer dynamics

Suivi des changements de vitesse sismique de la croûte supérieure et de la dynamique des aquifères

Estelle Delouche
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1284127
  • IdRef : 27099713X

Résumé

In this thesis, we propose a study centered on the 1-3s period band which is particularly interesting for the monitoring in southern Europe; measurements over longer periods being contaminated by seasonal changes in the noise source. Beyond allowing the study of velocity changes associated with earthquakes, the 1-3s period band also allows us to track changes in groundwater levels, providing a unique opportunity to track the response of the crust to the hydrological cycle.Thus, we study the crustal properties of the two most seismically active countries in Europe: Greece and Italy. Using ambient noise auto-correlations, we measure these two countries' seismic wave velocity variations over a period of 10 years (2010-2022). Results obtained at short periods (0.5-3s) indicate that the velocity changes are seasonal, and mainly controlled by processes related to the charge and discharge of aquifers. We propose a simple method to quantify the seasonality of the dv/v measurements of each region, which correlates well with the presence of aquifers. Then, we apply a model to estimate the water level inside the aquifers in the region, from the closest available precipitation dataset. The results indicate that, in some cases, the velocity variations are sensitive to a poroelastic effect within the aquifer, while in others, are proportional to an elastic effect of the underlying rocks due to the weight of the aquifer. We also show that the cases where the velocity variations have no correlation with rainfall are a consequence of agricultural pumping.Based on these results, we develop this approach in Italy. We confirm the correlation of seasonal dv/vs with the presence of aquifers at depth. Moreover, we make use of multi-year continuous recordings to analyze the long-term variations of the dv/vs. In some areas, we observe a continuous increase in velocity, which could indicate a progressive depletion of aquifers, especially in Campania or Sicily. One notable exception to this trend is the central Apennines, at the level of the Calderone glacier, where the velocity variations indicate an increase in the aquifers' water levels.Furthermore, the correlation observed with surface deformation measurements obtained by GPS and hydraulic head measurements, allows us to quantify the sensitivity of velocity variations in terms of water level.Finally, we attempt to specify the dependence of the seasonal changes observed at the surface as a function of depth. The dv/vs calculated in different period bands, and at different lapse times suggest an increased sensitivity of coda waves to deep disturbances such as the presence of fluids (geothermal or over-pressurized sources). In Italy, these fluids could be CO2 volumes located at depths between 5 and 10km, while in Greece these fluids consist mainly of geothermal flows.This large set of observations shows a complex relationship between the velocity variations observed at the surface and the most probable location of these perturbations at depth, which may serve as a base to evaluate the sensitivity of the noise correlation technique.Lastly, group velocity maps calculated from noise cross-correlations indicate that we retrieve with great assiduity the main sedimentary basins, and, at higher periods, the crustal roots of the Hellenides. This is a first step to build a 3D model of the Aegean crust. The objective is to determine the tectonic structures associated with our velocity variations, and potentially, to specify the depth of the velocity perturbations.
Nous proposons dans cette thèse, une étude centrée sur la bande 1-3s de période qui est particulièrement intéressante pour les études de surveillance du sud de l'Europe; les mesures sur des périodes plus longues étant contaminées par les changements saisonniers de la source de bruit. En plus de permettre l'étude des changements de vitesse associés aux tremblements de terre, la bande de période 1-3s nous permet également de suivre les changements de niveaux des eaux souterraines, offrant une opportunité unique de suivre la réponse de la croûte au cycle hydrologique.Ainsi, nous étudions les propriétés de la croûte des deux pays les plus sismiques d'Europe: la Grèce et l' Italie. En utilisant des auto-corrélations de bruit ambiant, nous mesurons les variations de vitesse des ondes sismiques de ces deux pays sur une période de 10 ans (2010-2022). Les résultats obtenus à courtes périodes (0.5-3s) indiquent que les changements de vitesse sont saisonniers et sont contrôlés par les processus connectés avec la charge et discharge des aquifers. Nous proposons une méthode simple pour quantifier la saisonnalité des mesures de dv/v de chaque région et qui corréle avec la présence d’aquifères. De plus, nous appliquons un modèle qui permet d'estimer le niveau d'eau à l'intérieur d'un aquifère à partir des données de précipitations. Les résultats indiquent que les variations de vitesse sont, dans certains cas, sensibles à un effet poro-élastique au sein de l'aquifère, et dans d'autres, proportionnelles à un effet élastique des roches sous-jacente dû au poids de l'aquifère. Nous montrons également que les cas où les variations de vitesse n'ont aucune corrélation avec les précipitations sont une conséquence du pompage agricole.Basé sur ces résultats, nous développons cette approche en Italie. Nous confirmons la corrélation des dv/vs saisonniers avec la présence d'aquifère en profondeur. De plus, nous utilisons des enregistrements continus sur plusieurs années pour analyser les variations de long terme des dv/vs. Dans certaines régions, nous observons une augmentation continue de la vitesse, qui pourrait indiquer une déplétion progressive des aquifères, en particulier en Campanie ou en Sicile. Une exception notable à cette tendance est l'Apennin central, au niveau du glacier de Calderone, où les variations de vitesse indiquent une augmentation des niveaux d'eau dans les aquifères. De surcroît, la corrélation observée avec les mesures de déformation de surface obtenues par GPS et les mesures de têtes hydrauliques, nous permet de quantifier la sensibilité des variations de vitesse en terme de niveau d'eau.Finalement, nous tentons de préciser la dépendance des changements saisonniers observé à la surface en fonction de la profondeur. Les dv/vs calculés dans différentes bandes de périodes, et à différent lapse times pourraient suggérer une sensibilité accrue des ondes de coda à des perturbations profondes telles que la présence de fluide.En Italie, ces fluides pourraient être des volumes de CO2 se situant à des profondeurs comprises entre 5 et 10km; tandis qu'en Grèce ces fluides consistent principalement à des flux géothermaux.Ce large ensemble d'observations montre une relation complexe entre les variations de vitesse observées en surface et la localisation la plus probable de ces perturbations en profondeur, ce qui peut servir de base pour évaluer la sensibilité de la technique de corrélation du bruit.Enfin, les cartes de vitesse de groupe calculées à partir des corrélations croisées de bruit indiquent que nous retrouvons avec une grande assiduité les principaux bassins sédimentaires, et, à des périodes plus élevées, les racines crustales des Hellénides. Il s'agit d'une première étape pour construire un modèle 3D de la croûte égéenne. L'objectif étant de déterminer les structures tectoniques associées à nos variations de vitesse, et potentiellement, de préciser la profondeur des perturbations de vitesse.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04207435 , version 1 (14-09-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04207435 , version 1

Citer

Estelle Delouche. Monitoring Seismic velocity changes in the upper crust and aquifer dynamics. Earth Sciences. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. English. ⟨NNT : 2023GRALU020⟩. ⟨tel-04207435⟩
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