Sujet :

Application de la fibre optique aux mesures géophysiques

Contexte :

La fibre optique, utilisée à des fins géophysiques et/ou de détection d’évènements sismiques, permet d’accéder à de nouvelles zones d’études. C’est le cas notamment pour les océans (70 % de la surface de la planète), parcourus par des tronçons de fibres opérées par les télécoms. L’utilisation de l’interférométrie laser sur une fibre optique (système DAS, distributed acoustic sensor) permet de mesurer la déformation axiale (utilisation de l’élongation de la fibre et mesure du temps de parcours du pulse laser entre son émission et sa réflexion sur les aspérités composants la fibre), et d’obtenir ainsi un capteur continu de déformation de longueur pouvant être plurikilométrique. Ces capteurs sous-marins ont déjà montré leur capacité à enregistrer de fort téléséismes (Williams et al., 2019) mais aussi des micro-séismes régionaux tel qu’un séisme de magnitude Mw 1.9 dans le sud-est de la France (Sladen et al., 2019). L’avantage d’un tel capteur est de pouvoir enregistrer la déformation du sol de manière continue tout le long du tracé de la fibre et ainsi de réduire le nombre d’instruments à déployer.
La fibre optique restant déployée sur de grande périodes de temps, il est également possible de l’utiliser à des fins de prospection géophysique, de manière comparable aux mesures passives de bruit ambiant (de type AVA) : mesure des courbes de dispersion en fonction de la fréquence, qui peuvent ensuite être inversées en profils de vitesse des ondes sous la fibre. Plusieurs applications concrètes ont déjà vu le jour, avec notamment la caractérisation du sous-sol proche d’une ligne de train en Californie (Ajo-Franklin et al., 2019), la source du bruit étant le passage répété des trains, ou encore sur le campus de Stanford en utilisant le bruit citadin (Spica et al., 2020).

Objectif de la thèse :

L’objectif de cette thèse est d’explorer les capacités d’un capteur encore non exploité par le CEA dans le cadre de mesures géophysiques.
Dans un premier temps, il s’agira d’évaluer la capacité de la fibre optique à fournir des mesures géophysiques de qualité dans le sous-sol, jusqu’à des profondeurs de l’ordre de 100 m. L’objectif de cette partie sera de fournir une imagerie du sous-sol (géométrie des couches) ainsi que de ses paramètres tels que la vitesse des ondes S avec la meilleure résolution possible. Ces données étant primordiales pour l’évaluation des effets de site locaux et leur implémentation dans les calculs d’aléa sismique, ou encore pour la recherche de cavités.
Dans un second temps, il s’agira d’estimer la capacité de la fibre optique à caractériser une source sismique et le champ d’ondes élastique associé. L’objectif de cette partie sera d’extraire de la mesure les paramètres physiques caractéristiques de la propagation de l’onde sismique le long de différentes branches de fibres optiques et de comparer ces signaux à des signaux enregistrés sur des géophones traditionnellement utilisés en sismologie.

Déroulement de la thèse :

Cette thèse comprendra une partie d’acquisition sur le terrain. Cela concerne les mesures géophysiques afin de caractériser le sous-sol, qui seront faites sur le réseau de failles des Cévennes, responsable du séisme du Teil du 11 novembre 2019, ainsi que sur le centre CEA afin d’imager la géométrie des couches et failles présentes puis inverser les profils de vitesses des ondes proches de la surface à des fins d’aléa sismique.
Les données de propagation de l’onde sismique seront déjà acquises lors de l’expérience PREMISE 2 ayant eu lieu au Laboratoire Souterrain Bas Bruit (LSBB) en 2020. Le(a) doctorant(e) devra développer les outils permettant de traiter ces données et comparer les résultats à ceux enregistrés par les autres capteurs déployés lors de cette expérience.
Le(a) doctorant(e) se formera au traitement des données auprès de son directeur de thèse à Géoazur à Nice. Le(a) doctorant(e) devra donc être mobile entre Nice (10 %) et la région parisienne (90 %).

Directeur de thèse et école doctorale :

SLADEN Anthony
sladen@geoazur.unice.fr
ED 364 – Sciences Fondamentales et Appliquées (SFA)
Université Côte d’Azur

Encadrant :

VALLAGE Amaury
CEA/DAM Ile–de-France – Bruyères-le-Châtel, 91297 Arpajon
Tél. : 01.69.26.40.00. – amaury.vallage@cea.fr