Thèse Antennes Sismiques Combinant Fibre Optique et Capteurs 3 Composantes pour la Caractérisation de Sites en Milieu Urbain H/F

Université Grenoble Alpes

Le.a candidat.e recherché.e a des connaissances approfondies en sismologie, une formation et une expertise en traitement du signal, en calcul scientifique et en simulation numérique. Il.elle est autonome et organisé.e et sait présenter ses travaux à l'oral et à l'écrit.

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : STEP - Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes
Laboratoire de recherche : Institut des Sciences de la Terre
Direction de la thèse : Emmanuel CHALJUB ORCID 000000015498885X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59

Pour évaluer l'amplification locale du mouvement sismique, la vitesse de propagation des ondes de cisaillement (Vs) est un paramètre essentiel. Les mesures in-situ de sa distribution verticale et latérale restent une étape indispensable. L'enregistrement passif des vibrations sismiques ambiantes par un réseau de capteurs (réseau de bruit de fond ou antenne sismique) est une méthode établie pour obtenir des profils de vitesse (Garofalo et al., 2016). Les valeurs sont nécessaires autour et sous les infrastructures critiques, les habitations et les centres d'activités. Cependant, les capteurs sismologiques sont le plus souvent déployés dans les espaces ouverts où la modélisation de la réponse sismique est peu critique. Accéder à des valeurs in-situ en milieux urbains denses est généralement compliqué.
La technologie fibre optique en sismologie (Distributed Acoustic Sensing, DAS) est assez récente (une dizaine d'années). Elle permet de transformer n'importe quelle fibre optique en une ligne de capteurs
sismiques. Plus précisément, la déformation est mesurée le long du câble avec une large gamme de densité d'échantillonnage sur de grandes distances (p. ex. une valeur de déformation tous les mètres sur 40 km). Beaucoup d'applications ont déjà été développées en sismologie de l'ingénieur et en génie civil (Ajo-Franklin et al., 2019). Les fibres optiques de télécommunication sont installées dans la plupart des villes où le déploiement de réseau de capteurs est simplement impossible ou à un coût prohibitif.
Le DAS fournit seulement une composante du taux de déformation ce qui rend la séparation des ondes de Love et Rayleigh difficile sans avoir plusieurs orientations de la fibre au sein du même réseau (Luo et al., 2020; Zhao et al., 2023). De plus, les chemins empruntés par les fibres de télécommunication ne sont pas optimisés pour les mesures sismiques. Ils sont principalement linéaires sur de longues distances, et s'ils changent de direction, ce n'est certainement pas suffisant pour une séparation correcte des ondes de Love et Rayleigh.
Il serait donc intéressant si un réseau composé de seulement quelques stations à trois composantes pouvait compléter un segment rectiligne de fibre optique.
Le but de ce travail sera de développer les algorithmes appropriés pour assurer un couplage optimum des deux types de mesures. Cela permettrait de fournir de nouvelles données pour des zones qui sont actuellement inaccessibles. Plusieurs aspects techniques du traitement devraient être abordés. Les géométries de réseau doivent être discutées dans ce contexte particulier. Le couplage des fibres optiques avec le sol n'est pas toujours parfait. Les orientations imprécises des capteurs peuvent avoir des effets sur les vitesses et les ellipticités mesurées. La gamme de fréquence intéressante (au-dessus de 1 Hz) est souvent excitée par les activités humaines (transports, industries,...). Les sources peuvent ainsi être localisées à l'intérieur du réseau générant des fronts d'onde circulaires classiquement ignorés. Les interactions entre le sol et les structures peuvent aussi influencer les mesures. Il y a aussi des variation latérales de Vs sous le réseau. La remise en cause du modèle de propagation au coeur de la formation de voie (beamforming) est une des pistes envisagées pour améliorer la qualité des résultats sous ces divers contraintes. La nature et la localisation des sources anthropiques à l'intérieur d'une ville sont assez peu connues même si des lignes de chemin de fer ou des voies rapides ont été récemment étudiées (Lavoué et al., 2021; Sheng et al., 2023). Les simulations des vibrations ambiantes considèrent actuellement les sources comme des forces de position et d'orientation complètement aléatoires. Il y a peu de caractérisation in-situ de ces sources. Ce travail permettrait de mieux appréhender la distribution des sources en ville.