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Élaboration d’un flux de travail pour suivre l'instabilité d'une falaise par écoute microsismique.

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Nasr, Maher (2021). Élaboration d’un flux de travail pour suivre l'instabilité d'une falaise par écoute microsismique. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 262 p.

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Résumé

Le changement climatique est un fléau qui touche les quatre sphères de la Terre : l’atmosphère, l’hydrosphère, la biosphère et même la géosphère. Cette dernière se trouve particulièrement menacée par des phénomènes météorologiques extrêmes qui redessinent les paysages partout dans le monde. L’érosion côtière, les mouvements de terrain et la dégradation de la qualité du sol ne sont que quelques exemples à citer. Dans ce sens, nous assistons ces dernières décennies à une hausse de nombre des zones à risque et l’élargissement de leurs périmètres. Une surveillance permanente et étroite de ces sites est nécessaire pour comprendre leurs évolutions et élaborer des plans d’intervention. La sismique passive s’impose parmi les outils incontournables pour un suivi de longue durée. La méthode démontre une efficacité inédite pour étudier différents mouvements gravitaires allant des éboulements jusqu’aux glissements de terrain. Nous proposons dans ce projet de réaliser une écoute microsismique sur une falaise rocheuse montrant des fréquents éboulements. L’objectif ultime est de repérer les parties instables de la falaise afin d’orienter les opérations d’écaillage visant à minimiser les éboulis qui s’accumulent sur une voie ferroviaire voisine. Une analyse des données par détection et localisation est retenue ce qui implique trois tâches: 1- la détection et le pointé de temps d’arrivée, 2- la localisation des hypocentres, et 3- la modélisation des ondes sismiques par tracé de rai pour résoudre le problème d’inversion. Le deuxième objectif de cette thèse est d’améliorer ces trois composantes fondamentales. Le premier fruit de ce travail est l’élaboration d’une méthodologie innovatrice pour optimiser le traitement des données microsismiques. La stratégie combine à la fois des nouvelles approches et des méthodes classiques soigneusement choisies. Ainsi, nous avons proposé des nouvelles techniques de détection, de pointé et de filtrage de données basées sur l’estimation de la polarisation par une analyse de la matrice de corrélation. L’approche s’avère plus robuste vis-à vis du bruit et facilite énormément la distinction entre les ondes à polarisation linéaire et les signaux parasites. Concernant la modélisation par tracé de rai, une nouvelle méthode appelée ‘the Dynamic Shortest Path’ a été introduite. L’approche mise sur un raffinement local du maillage autour des sources sismiques et sur la mise à jour de temps d’arrivée à partir des rais sismiques. La méthode est capable d’assurer une erreur inférieure à 1% pour un coût de calcul raisonnable pour des problèmes d’inversion. Le troisième essor pour cette thèse est un code d’inversion conjointe hypocentre-vitesse adapté aux maillages non-structurés. Des nouvelles techniques de régularisation et d’analyse de données de calibration y sont intégrées. Le temps d’exécution du code a été optimisé en implémentant certaines tâches en parallèle.

Climate change is a global phenomenon affecting the four spheres of the Earth: the atmosphere, the hydrosphere, the biosphere and even the geosphere. The geosphere is particularly exposed to extreme weather events which contribute to significant reshaping of landscapes worldwide. Coastal erosion, ground movements and degradation of soil quality are just a few examples. In this context, an increase in the number of areas at high gravitational risk and their perimeters were noted in recent decades. In sensitive areas, permanent monitoring of the stability of such sites is necessary in order to track their developments and to prepare intervention strategies. Passive seismic is considered to be one of the best tools for long-term monitoring of ground stability. This method was shown to be an efficient mean to track landmass movements that range from rockfalls to landslides. In this project, we propose to carry out a microseismic monitoring experiment for an unstable cliff that hosts episodic rockfalls. The ultimate goal of this experiment is to identify portions of the cliff that become unstable over time and dispatch mitigation strategies to avoid unplanned rockfalls on a nearby railway. A strategy of data analysis by detection and localization was selected for this project, which implies three main steps: 1- detection and picking of seismic arrival times, 2- hypocenter localization, and 3- seismic wave modeling by raytracing to solve the inversion problem. This work proposes new techniques that were developed to tackle these three fundamental tasks in microseismic. The first outcome of this research project is the development of an innovative methodology to optimize microseismic data processing. This methodology combines several novel approaches with many classical methods well selected. The first achievement concerns new techniques for microseismic data detection, picking and filtering based on estimation of the linear polarization via the analysis of the correlation matrix. The developed methods show robust performance against seismic noise added to synthetic datasets and noise present in real data. The sought linearly polarized wavefields are therefore easily separated from unwanted signals. This work also introduces an enhanced method for ray-tracing modeling called 'the Dynamic Shortest Path'. The strategy relies on a local mesh refinement around seismic sources and on the updating of traveltimes along the seismic ray paths. The method shows a global error less than 1% with a reasonable computational cost for inversion problems. The last achievement of this thesis is a joint hypocenter-velocity inversion code adapted to unstructured meshes. New techniques for regularization and calibration data interpretation are also tested and integrated in this last contribution. The inversion code runtime was optimized using a parallel approach.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Giroux, Bernard
Co-directeurs de mémoire/thèse: Dupuis, Christian J.
Mots-clés libres: sismique passive; tracé de rai; maillage tétrahédrique; rectilinéarité; filtre de polarisation; inversion des hypocentres; détection et pointé des évènments sismiques; passive seismic; ray tracing; tetrahedral mesh; rectilinearity; polarization filter; hypocenter inversion; seismic event detection and picking
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 10 juin 2021 15:37
Dernière modification: 06 oct. 2021 15:00
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/11782

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