L’étude exhaustive des niveaux de bruit de l’ensemble des stations équipées de gravimètres cryogéniques de la première phase du projet GGP (1997-2003), dans les bandes de fréquences sismique longue période (200 s - 600 s), sub-sismique (1 h E6 h) et des marées (12 h E24 h), a étEréalisée El’aide des densités spectrales de puissance et de la notion de magnitude de bruit. Un classement des stations a étEobtenu, permettant une sélection appropriée de sites lors de combinaison de données par exemple.
L’observation des oscillations incessantes (« hum ») Ecertaines stations équipées de gravimètre cryogénique est un argument supplémentaire qui atteste de la qualitEde ces stations, d’un point de vue niveau de bruit dans la bande sismique.
En outre, la comparaison avec le niveau de bruit des sismomètres longue période a permis de conclure Ela qualitE supérieure des gravimètres supraconducteurs par rapport aux STS-1 dans la bande sismique longue période (pour des fréquences inférieures E1 mHz), grâce E l’effet notoire de la correction de pression atmosphérique Eces fréquences. L’avantage des stations équipées de gravimètres supraconducteurs est qu’elles enregistrent en parallèle des données de pression atmosphérique, contrairement aux STS-1, pour lesquels la correction atmosphérique n’est pas systématique. Les densités spectrales de puissance des gravimètres cryogéniques du réseau GGP passent sous le niveau de bruit des meilleurs sismomètres, pour des périodes supérieures E16 min dans le cas de la meilleure station.
L’ensemble de ces caractéristiques fait que nous pouvons parler de contribution unique des gravimètres supraconducteurs El’étude des modes sismiques les plus graves.
Les gravimètres supraconducteurs présentent des niveaux de bruit faibles dans la bande sub-sismique (aux périodes supérieures Eune heure) : ce sont les seuls instruments aptes E détecter les modes gravito Einertiels du noyau et les modes de Slichter de fréquences sub-sismiques.
Afin d’améliorer les niveaux de bruit de l’ensemble des stations équipées de gravimètres cryogéniques, une modélisation des signaux environnementaux (e.g. hydrologie, océans,E est nécessaire.
L’enregistrement du gravimètre supraconducteur GWR C026, installEEla station Strasbourg (France), sur 274 h après le séisme du Pérou du 23 juin 2001, de magnitude 8.4, a permis la première observation, avec un seul enregistrement, de l’éclatement (« splitting ») en cinq pics bien distincts du mode propre sphéroEal fondamental 0S2. Cet unique enregistrement a permis d’évaluer les fréquences propres des cinq singlets avec une grande précision, qui rivalise avec les estimations antérieures El’aide de plusieurs enregistrements de sismomètres et de gravimètres Eressort. La mesure des facteurs de qualitEde chacun des singlets a également pu être réalisée sur cet unique jeu de données.
L’étude des fréquences propres de 0S2 a étEégalement effectuée sur la combinaison de cinq enregistrements de gravimètres supraconducteurs de faible niveau de bruit. Les barres d’erreur obtenues rivalisent lEaussi avec les estimations précédentes.
L’étude du splitting des modes propres les plus graves est indéniablement appropriée aux enregistrements de gravimètres supraconducteurs. Ces instruments sont alors complémentaires des sismomètres longue période qui atteignent leurs limites aux fréquences inférieures E1 mHz. Cet apport est considérable car le splitting des modes les plus graves est fortement sensible Ela structure de densitE3D du manteau et du noyau. Les gravimètres cryogéniques sont donc des outils incontournables pour améliorer la connaissance de la structure en densitE encore mal contrainte, dans le manteau et dans le noyau.
Une combinaison, adaptée aux modes de degrEun, des enregistrements de cinq gravimètres supraconducteurs judicieusement répartis E la surface de la Terre a menEEla première détection du mode sismique de degrE un 2S1. Ce mode n’avait jamais étEobservEauparavant et, sans la haute précision et le faible niveau de bruit des gravimètres supraconducteurs Eces longues périodes (supérieures E1000 s), sa détection n’aurait pas pu être réalisée. Une recherche automatique de triplets, dont les fréquences sont correctement écartées selon une loi de splitting quadratique, a confirmEcette observation. Des analyses en ondelettes ont apportEun argument supplémentaire Ecette détection.
Le mode 2S1 est particulièrement intéressant car il échantillonne non seulement le manteau mais aussi le noyau. Les fréquences des trois singlets de 2S1 estimées Epartir de ce stack de cinq enregistrements de gravitE sont proches des valeurs prédites pour les modèles PREM et 1066A. Par contre, le rapport signal sur bruit étant faible, les erreurs sur ces mesures de fréquences sont trop grandes pour pouvoir affiner les modèles de Terre. D’autres observations de 2S1 sont nécessaires afin de diminuer ces erreurs.
L’analyse des
variations de gravitEenregistrées par les gravimètres supraconducteurs après
un séisme doit impérativement se généraliser El’ensemble de la communautEsismologique
et gravimétrique, si l’on veut avoir des chances d’améliorer notre connaissance
de la structure en densitEde la Terre profonde. Les modèles de Terre ne
pourront pas être affinés sans l’apport des données de gravitEdes gravimètres
cryogéniques.
Les divers outils mis en place durant ce travail de thèse (méthodes de sommation, de détection de multiplets et analyses en ondelettes) se sont avérés très efficaces dans la recherche du mode propre sismique de degrEun 2S1, d’amplitude quelques nm/s², et ont même menEEsa première observation. L’application de ces méthodes n’a cependant pas encore abouti Ela détection irréprochable du triplet de Slichter (1S1), d’amplitude beaucoup plus faible que 2S1. La complexitEde ce mode propre de translation de la graine a entraû‹Ede nombreuses controverses, tant du point de vue de la théorie, que de son observation, rendant la tâche délicate et plus difficile que pour les modes sismiques.
Les données de gravimètres supraconducteurs utilisées dans la recherche de ce triplet de fréquences sub-sismiques sont parmi les moins bruitées disponibles aujourd’hui, Eces périodes comprises entre 3 h et 8 h. Leur combinaison n’a cependant pas encore abouti E l’observation en surface de la signature directe en gravitEde l’oscillation libre en translation de la graine.
Dans le cas extrême d’une excitation unique du triplet de Slichter avec un temps d’amortissement de six jours et d’amplitude initiale dix fois plus petite que l’amplitude du bruit, les analyses en ondelettes « sinus amorti » s’avèrent efficace Efaire ressortir le signal dans une sommation adaptée au degrEun. Nos outils de sommation, de détection et d’analyse en ondelettes sont donc adaptés Ela recherche de la signature directe de la translation de la graine, dans la mesure oEle mode de translation de la graine peut être observable en surface par un gravimètre supraconducteur.
L’excitation du mouvement de la graine par un fort séisme (inférieure E10-2 nm/s²) est insuffisante pour être observable en surface. D’autres mécanismes d’excitation doivent être envisagés, comme les océans et l’atmosphère. L’effet de ces enveloppes superficielles sur le degrE un et plus particulièrement sur le forçage initial possible du mouvement de translation de la graine n’a encore jamais étEmodélisE Le problème est de savoir si ces couches fluides ont une composante de degrEun de fréquence suffisamment élevée pour initialiser cette oscillation libre de la graine.
La modélisation des mécanismes excitateurs de la translation de la graine est un axe de recherche qu’il est important de poursuivre. La recherche du triplet de Slichter est bien sûr fondamentale et doit continuer. Pour cela il sera important dans la suite de pouvoir utiliser des modèles d’atmosphère 3D, échantillonnés Eune heure, afin de corriger correctement les données des gravimètres cryogéniques de l’effet atmosphérique, et ainsi réduire leurs niveaux de bruit.
D’autres phénomènes devront être également modélisés, comme le forçage de l’océan aux hautes fréquences principalement par les vents et la pression atmosphérique (écarts au baromètre inversE.
Ces modélisations ne seront pas seulement utiles pour la recherche du triplet de Slichter, mais aussi pour la recherche de tout signal de faible amplitude, tel que les modes inertio Egravitationnels du noyau.
Il est enfin, et surtout, indispensable, voire primordial, de continuer Eétudier les modes sismiques les plus graves El’aide des enregistrements de variations de gravitE des gravimètres supraconducteurs du réseau GGP, qui ont donc contribuEEla première détection d’un mode sismique de degrEun 2S1, et El’observation du splitting avec un seul jeu de données du mode sismique fondamental de degrEdeux 0S2, afin d’améliorer les modèles de Terre.