La Terre le 9 août 2021 photographiée par le satellite DSCVR, situé à 1,5 million de kilomètres. © Nasa
Planète

Écouter le bruit de la Terre pour en construire une image précise

ActualitéClassé sous :Géologie , géophysique , croûte terrestre

[EN VIDÉO] La sismologie, le stéthoscope qui écoute le cœur de la Terre  « La Terre est opaque mais elle est transparente aux ondes sismiques » nous explique Jean-Paul Montagner, chercheur à l'IPGP (Institut de physique du Globe de Paris), en préambule de cette vidéo. Nous plongeons grâce à elle dans les entrailles de la Terre, pour y observer sa structure et comprendre l'origine des séismes. 

Comment imager l'intérieur de la croûte terrestre ? L'imagerie sismique apporte des solutions mais sa profondeur d'investigation reste limitée. Des chercheurs viennent cependant de mettre au point une nouvelle méthode se basant sur l'enregistrement du bruit sismique généré par le vent, les vagues, ou l'activité humaine. Les résultats ont permis d'obtenir une image précise sur quatre kilomètres de profondeur.

Pour connaître la structure de la croûte terrestre, il existe deux solutions. Faire un forage, ou utiliser une méthode d'imagerie. La première a l'avantage d'apporter des données directes, et le gros désavantage d'être très localisée. Pour estimer l'architecture à grande échelle de la croûte terrestre, il est donc nécessaire d'utiliser une méthode géophysique indirecte. Parmi ces méthodes, celles se basant sur la propagation des ondes sismiques sont le plus souvent utilisées. Les scientifiques peuvent ainsi avoir recours à la méthode sismique, qui repose sur la génération d'un train d'ondes artificiel, ou à la sismologie, qui se base sur l'étude des ondes générées naturellement lors des grands séismes. Chacune de ces deux techniques a ses avantages... et ses inconvénients.

Imager la croûte en profondeur : un défi technique et scientifique

Si la méthode sismique permet de s'affranchir de la survenue d'un séisme et donc de mettre en œuvre une campagne de prospection quand les scientifiques le souhaitent et où ils le souhaitent, la profondeur d'investigation sera très dépendante de l'énergie des ondes générées et de la fréquence utilisée. Cette méthode ne permet généralement d'imager la croûte que sur les premières centaines de mètres. L'observation au-delà du premier kilomètre de profondeur nécessite la mise en place d'importants moyens techniques.

De plus, la recherche de la profondeur se fera au détriment de la résolution : plus la profondeur d'investigation sera grande, plus la résolution de l'image obtenue sera faible et inversement. Pour imager profondément la croûte terrestre, l'autre solution est donc d'attendre la survenue d'un séisme, avec le désavantage de ne pas maîtriser l'ensemble des paramètres, en particulier le moment de l'émission des ondes.

Camion vibrateur pour l'acquisition de données sismiques © Thomas Burschil (imaggeo.egu.eu)

Pour palier ces problèmes, une équipe de chercheurs de l'Institut Langevin (Paris) et de l'Institut des Sciences de la Terre (Isterre, Université Savoie Mont Blanc) ont développé une nouvelle méthode d'imagerie sismique permettant de sonder la croûte terrestre jusqu'à une profondeur de quatre kilomètres. Cette méthode, dite matricielle passive, se base sur le bruit sismique. Contrairement aux deux autres méthodes, elle ne fait ni appel à la génération artificielle d'ondes sismiques, ni à la survenue d'un séisme.

Tirer parti des hétérogénéités du sous-sol

Pour mettre en œuvre cette méthode, les scientifiques ont déployé un dense réseau de géophones afin de mesurer le bruit sismique ambiant de la Terre. Car, outre les séismes, notre Planète est secouée en permanence par l'action du vent, des vagues, et bien sûr, par l'activité humaine. L'intensité de ce bruit sismique est naturellement bien plus faible que celui généré par les tremblements de terre, mais il est néanmoins suffisant pour imager avec précision le sous-sol sur plusieurs kilomètres. En général, le bruit sismique n'est pas apprécié des scientifiques car en se réfléchissant sur les nombreuses hétérogénéités du sous-sol, il brouille le signal principal enregistré lors des campagnes de mesures. Les données obtenues doivent alors faire l'objet d'un traitement approfondi. Or, cette nouvelle méthode sismique exploite habilement ce phénomène physique : les hétérogénéités deviennent elles-mêmes des sources sismiques et permettent, en diffusant les ondes, d'augmenter la résolution de l'image de manière significative.

Exemple de coupe sismique réalisée par méthode sismique traditionnelle. © Kilde, PGS, disponible sur www.norskpetroleum.no

La validité de cette méthode a été testée au niveau de la faille californienne de San Jacinto. Pendant plusieurs mois, le bruit sismique a été enregistré en continu, puis analysé grâce à des méthodes de calculs développées par les chercheurs. Les hétérogénéités du sous-sol ont ainsi pu être imagées, révélant l'architecture des couches géologiques dans les environs de la faille, les fissures et les fractures, avec une précision de 80 mètres pour la localisation des points. L'image sismique obtenue révèle ainsi des détails que les techniques conventionnelles n'avaient jusqu'à présent pas réussi à imager.

Les résultats de cette étude, publiés dans la revue Geophysical Journal International, ouvrent la porte à un vaste champ d'applications, notamment pour la surveillance des failles actives et des volcans.

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