Dans la brise qui passe, écoute un doux murmure

C'est la voix de la Terre, aussi tendre, aussi pure

 

 

CHAPITRE II.

 

Le « hum »

 

II.1.      Le doux murmure de la Terre

 

 

La Terre est en activit�Epermanente, générant un bruit de fond sismique dont l’origine est variée. Ce bruit permanent limite notre capacit�E�Edétecter les signaux de faibles amplitudes auxquels nous nous intéressons (ceux qui apportent de l’information sur la structure de la Terre profonde). Des études complètes de niveaux de bruit caractéristiques ont ét�Emenées par différents auteurs (e.g. Agnew et Berger, 1978 ; Peterson, 1993 ; Astiz et Creager, 1995) afin d’évaluer entre autre la performance d’une station et d’aider �Ela sélection de site. La figure (II. 1) illustre le nouveau modèle de bruit bas (NLNM) de Peterson (1993), que nous avons déj�E présent�Eau chapitre précédent, avec les sources dominantes de bruit de fond sismique sur les capteurs �Ecomposante verticale (i.e. les sismomètres verticaux et les gravimètres) en fonction de la fréquence :

 

·                    Aux fréquences inférieures �E2 mHz, la principale source de bruit est due �E l’attraction newtonienne des masses d’air mobiles dans l’atmosphère locale au-dessus du capteur (e.g. Warburton et Goodkind, 1977 ; Z�En et Widmer, 1995) ;

 

·              Dans la bande 2 - 7 mHz, le NLNM est relativement plat. Dans cette bande, une cinquantaine de pics, dont les fréquences co�Ecident avec les modes sphéro�Eaux fondamentaux de ₀S₁₂ �E₀S₆₅, a ét�Emise en évidence pour la première fois par Nawa et al. (1998) �El’aide des enregistrements du gravimètre supraconducteur (SG) de la station Syowa, Antarctique. Cette excitation incessante des modes sphéro�Eaux fondamentaux est appelée « oscillations libres incessantes » ou « hum » (bourdonnement). Puisque ces oscillations libres permanentes sont un phénomène global, le « hum » constitue une limite inférieure de détection des signaux �En’importe quel site de la surface terrestre (Widmer-Schnidrig, 2003). Ce phénomène du « hum » a ét�Econfirm�Epar les analyses des données des réseaux sismologiques IDA, GEOSCOPE et IRIS. Les résultats de ces études montrent que la Terre oscille librement sans avoir ét�Eexcitée par de forts séismes. Le procéd�Ephysique impliqu�Edans l’excitation du hum est communément attribu�E�Ela force exercée sur la surface terrestre par les perturbations aléatoires de l’atmosphère (e.g. Kobayashi et Nishida, 1998 ; Nishida et Kobayashi, 1999 ; Nishida et al. 2000 ; Tanimoto et Um, 1999) et/ou hydrosphère. Mais des sources internes (par exemple une activit�Etectonique ou un grand nombre de petits séismes) pourraient également expliquer cette excitation permanente des modes propres. Roult et Crawford (2000) ont également étudi�Eun ensemble de causes possibles du hum. Récemment, Tanimoto (2003) a montr�Eque les effets océaniques sont la source d’excitation principale de ces oscillations libres permanentes. Il explique également la présence du pic de bruit autour de 8-9 mHz, présent dans le NLNM, par un modèle océanique.

 

·              Dans la bande 7 - 30 mHz, adjacente au hum, Nishida et al. (2002) ont démontr�Eque le bruit de fond consiste en des ondes de Rayleigh circulant autour du globe tout comme le hum (Ekström, 2001).

  

 

Fig. II. 1 Sources dominantes du bruit sismique et modèle de bruit bas (NLNM) de Peterson (1993). Le NLNM est représent�E en décibels par rapport �E1 (m/s²)²/Hz. La bande des modes propres, les bandes des marées principales, le mouvement libre quasi-diurne de Chandler (Nearly Diurnal Free Wobble, NDFW), et la location suspectée par Smylie (1992) du mode de Slichter (1961), ₁S₁, sont également indiquées. Dessin extrait de Widmer-Schnidrig (2003).

 

 

·                    Enfin, dans la bande 30 mHz - 1 Hz, les niveaux de bruit sont dominés par les microséismes marins. Ces microséismes sont produits par les fluctuations de pression induites par la houle sur le fond marin, qui excitent les ondes sismiques dans la Terre solide. Il est heureux, pour l’étude des modes propres, que la bande des modes propres (0.3 - 20 mHz) et la bande des microséismes (30 mHz - 1 Hz) ne se superposent pas, sachant que les niveaux de bruit dans la bande micro - sismique sont souvent 60 dB au-dessus des niveaux dans la bande du hum (Widmer-Schnidrig, 2003).

 

 

 II.2.      Le hum aux stations GGP

 

Les données de quatre stations GGP ont ét�Eutilisées par Nawa et al. (2000) afin d’étudier les oscillations libres incessantes : Canberra (Australie), Esashi (Japon), Metsähovi (Finlande) et Syowa (Antarctique). Le hum a ét�Edétect�Edistinctement �ECanberra dont le niveau de bruit est le plus faible parmi les quatre stations (cf. Chapitre I de cette partie) ainsi qu’à Metsähovi, en plus de Syowa. A Esashi, le niveau de bruit est trop élev�Epour permettre l’observation des oscillations permanentes. Il s’avère donc que le hum constitue une référence correcte pour l’évaluation du niveau de bruit dans la bande du mHz.

 

Nous avons effectu�Eune étude statistique sur les PSD journalières �Edifférentes stations gravimétriques du réseau GGP : Cantley, sur l’année 1998 (Canada), Esashi, 1998 (Japon), Membach, 1998 (Belgique), Moxa, 2000 (Allemagne), Strasbourg, 2001 (France), Vienne, 1998 (Autriche), Wettzell, 2000 (Allemagne) et Wuhan, 1998 (Chine). Les niveaux �E5%, au premier quart (25%), �Ela médiane (50%) et aux trois quarts (75%) sont représentés sur la figure (II. 2) par rapport au modèle de bruit bas de Peterson (NLNM). Le niveau �E5% (resp. 25%, 50% 75%) correspond au niveau de PSD et donc de bruit en �Edessous duquel 5% (25%, 50%, 75%) des PSD se situent. Le niveau �E5% devrait correspondre au niveau de bruit bas�Esur les cinq jours les plus calmes selon la méthode proposée par Banka et Crossley (1999) et utilisée au chapitre précédent, section (I. 4). Cependant, si l’on considère la figure (8 (b)) du papier BIM, les 5 jours les plus calmes ont un niveau de PSD moyenne qui atteint au minimum le niveau �E25%.

A Moxa, Strasbourg, Vienne et Membach les modes propres fondamentaux sont visibles. Par contre, �EEsashi, Wettzell, Wuhan et Cantley, l’étude statistique sur un an ne permet pas de visualiser les oscillations incessantes �Ecause du niveau de bruit trop élev�Ede ces stations (cf. Chapitre I).

 

A Wuhan le mode de résonance de la sphère du SG TT70 T004 est nettement visible sur les différents niveaux de PSD (cf. Fig. II. 2) entre 3.5 mHz et 4 mHz. La décroissance des niveaux de PSD vers les hautes fréquences, observable �EMoxa, Strasbourg et Vienne, est due au filtre passe-bas appliqu�Esur les données brutes pour décimer �Eune minute.

 

 

 

 

 

 

 

Fig. II. 2 Statistiques sur les PSD journalières calculées �Edifférentes stations gravimétriques du réseau GGP. De bas en haut, les niveaux �E5%, au premier quart, �Ela médiane et aux trois quarts sont représentés. Le modèle de bruit bas de Peterson (NLNM ; en trait épais noir) est pris comme niveau de référence. Les PSD sont exprimées en décibels par rapport �E1 (m/s²)²/Hz. Les stations analysées sont de haut en bas et de gauche �Edroite : Cantley, 1998 (Canada), Esashi, 1998 (Japon), Membach, 1998 (Belgique), Moxa, sur l’année 2000 (Allemagne), Strasbourg, 2001 (France), Vienne, 1998 (Autriche), Wettzell, 2000 (Allemagne) et Wuhan, 1998 (Chine).

 

  

            Le hum est nettement plus visible �E Strasbourg sur l’analyse de quatre ans (1997 �E2001) de données (cf. Fig. II. 3) par rapport �El’étude statistique sur un an.

  

Remarque : La détection du hum repose sur l’étude statistique de la médiane qui représente l’excitation permanente. La médiane présente l’avantage de ne pas être influencée par les valeurs extrêmes. La moyenne ne doit en aucun cas être considérée comme étant représentative du hum puisqu’elle contient les séismes.

 

  

 

Fig. II. 3 Statistiques sur les densités spectrales de puissance journalières �EStrasbourg sur quatre ans. De bas en haut, les niveaux �E5%, au premier quart, �Ela médiane et aux trois quarts sont représentés. Le modèle de bruit bas de Peterson (NLNM) est pris comme niveau de référence. Les PSD sont exprimées en décibels par rapport �E1 (m/s²)²/Hz.

   

II.3.      Conclusion

  

            La source d’excitation permanente des modes sphéro�Eaux fondamentaux en l’absence de séisme n’est pas encore clairement identifiée. Des modélisations de tous les phénomènes envisageables sont nécessaires.

            Nous avons complét�El’étude du bruit aux stations du réseau GGP en densités spectrales de puissance, par une étude de bruit basée sur l’analyse statistique des jours calmes sismiquement. L’observabilit�Edu hum est un critère permettant une sélection grossière des stations de meilleure qualit�E

Dans la suite, le choix des stations �Egravimètres cryogéniques, pour les analyses de données �Ela recherche de modes propres sismiques basse fréquence et de modes sub-sismiques, sera bas�Esur l’étude en densités spectrales de puissance réalisée au premier chapitre.