Contribution à la modélisation de la propagation sismo-acoustique sous-marine pour améliorer l'interprétation des signaux de sismomètres de fond de mer (OBS) dans le domaine ultra basses fréquences (UBF)

Encadrement :

• Dr Nathalie Favretto-Cristini : Directrice de thèse 
• Dr Paul Cristini Co-directeur 
• Dr Bazile Kinda (Ingénieur de Recherche Shom) 
• Dr Xavier Demoulin (Ingénieur et PDG, société MAREE)

Résumé :

Les signaux dans le domaine ultra basses fréquences (UBF) en acoustique sous-marine (ASM) présentent l’avantage de se propager sur de longues distances, et revêtent de ce fait un intérêt certain en lutte sous-marine. Toutefois, l'interprétation de ces signaux recueillis au moyen d’Ocean-Bottom Seismometers (OBS) posés au fond de la mer est des plus ardues, du fait de l’interaction complexe des ondes avec les fonds marins. Cette interprétation pourrait être facilitée si la modélisation de l’environnement marin (i.e. la connaissance des variations spatiales des propriétés géométriques et géo-acoustiques via les ondes) et la modélisation de la propagation des ondes s’y propageant (notamment, les conversions à l’interface eau-sédiments viscoélastiques) étaient maîtrisées. Or, à l'instant T, aucun des codes de propagation publics utilisés par la communauté scientifique d’acoustique sous-marine (ASM) ne réunit à la fois cette exigence de fiabilité (prédiction précise de l’interaction ondes/environnements en UBF) et l'exigence d'opérationnalité (rapidité de calcul et économie de ressources calculatoires déployées). D'un côté, le code d'éléments finis spectraux SPECFEM (développé en partie au LMA) est un code full-wave capable de modéliser en 2D et 3D la propagation des ondes en environnements complexes variables (physique et géométrie) dans le domaine fréquentiel d'intérêt, mais en mobilisant des ressources de calcul HPC conséquentes. De l'autre, les codes utilisés par la communauté ASM sont certes moins exigeants en termes de ressources de calcul, mais ils reposent sur des approximations qui conduisent à des estimations biaisées du champ sismo-acoustique en UBF. Pourtant, à ce jour, aucune étude n'a examiné en détails les biais induits par ces approximations sur la prédiction des composantes du champ d’ondes en fond de mer et leur impact sur le champ acoustique dans la couche d'eau. L’objectif de la thèse est donc de combler ce vide 1) en conduisant une étude numérique croisée sur un environnement marin réaliste basée sur l'utilisation du code SPECFEM (reposant sur une méthode full-wave, donc sans approximation) et sur un code de propagation approchée utilisé en ASM (e.g., RAM reposant sur la méthode de l'équation parabolique) ; 2) en confrontant les résultats numériques issues des deux méthodes avec des données OBS UBF (acoustiques et sismiques) acquises in situ dans le cadre de campagnes programmées par le Shom ; 3) en identifiant et quantifiant les biais induits par les approximations de la méthode approchée et leur impact sur l'interprétation des données OBS UBF ; 4) en proposant, et si possible en initiant, des pistes d'évolution des codes de propagation pour tendre vers l'idéal « précision des résultats/opérationnalité ». Les résultats attendus de la thèse sont alors 1) une meilleure compréhension des interactions ondes sismo-acoustiques/environnement marin ; 2) une meilleure compréhension des signaux UBF recueillis par les OBS ; 3) une évaluation des performances de la méthode de l’équation parabolique dans le contexte UBF ; 4) un workflow identifié pour mettre en œuvre une modélisation de la propagation UBF la plus précise possible, tout en satisfaisant au mieux les besoins opérationnels.

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