Etude de la banquise par analyse des ondes sismiques – WaveSIMM

Un réseau de capteurs sismiques (mesurant les vitesses verticales et horizontales), d’ inclinomètres (mesurant les variations d’inclinaison de la plaque de glace), et de capteurs de contrainte interne, sera déployé sur la banquise arctique à l’automne 2013 à partir d’un brise-glace. L’épaisseur moyenne de la banquise sera estimée (i) à grande échelle à partir de la mesure de la vitesse moyenne de propagation des ondes, qui dépend de l’épaisseur, et (ii) au sein du réseau (1 à 100 km) à partir d’une analyse de la dispersion des ondes de flexure associées à la houle (toujours présente même au centre du pack).L’étude des séismes de glace induits par la fracturation de la banquise permettra, en conjonction avec une analyse de la déformation au sein du réseau (par mesure des déplacements des stations le délimitant) et les mesures de contrainte in-situ, de mieux comprendre le processus de fracturation/fragmentation des glaces de mer. Au niveau de la zone marginale (transition vers l’océan libre), une analyse du rôle joué par la houle sur le démantèlement local de la banquise sera menée.

La campagne de mesure est en cours de préparation.

Une fois développées et validées par ce projet, les méthodes proposées de mesure des épaisseurs pourront être utilisées de manière pérenne pour un suivi pluri-annuel

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Le projet WaveSIMM propose une approche intégrée et multidisciplinaire de l’analyse des ondes élastiques dans la banquise. Il est associé au projet de l’European Science Fundation (ESF) SATICE, auquel participe un des partenaires (LOV). Les deux projets ont en commun le développement et l’exploitation de nouvelles techniques de mesure des glaces de mer, dans le contexte d’évolution rapide de l’Arctique. Ce travail s’appuie également sur une collaboration entre différents laboratoires initiée dans le cadre du projet européen DAMOCLES, et profitera d’opportunités logistiques fournies à coût nul par le brise-glace Louis St Laurent dans le cadre du projet américano-canadien « Beaufort Gyre ».

L’objectif global est d’améliorer nos connaissances sur la banquise arctique et son comportement. Pour cela, ce projet s’appuie sur trois principaux points forts: (1) des méthodes d’analyse des ondes appliquées à un nouveau contexte interdisciplinaire faisant le pont entre terre solide et glaciologie; (2) une longue expérience des participants aux mesures de terrain dans l’Arctique; (3) des avancées technologiques permettant de construire puis déployer des plateformes de mesure entièrement autonomes. Plus spécifiquement, ce projet:
1. Développera un système de mesure de l’épaisseur de la banquise, intégré à l’échelle du bassin et basé sur les propriétés de propagation des ondes
2. Développera un système de mesure de l’épaisseur de la banquise basé sur la corrélation de bruit, à l’échelle locale ou régionale
3. Etudiera l’importance des efforts mécaniques induits par les vagues sur la fragmentation et le retrait de la banquise Arctique
4. Explorera le lien entre fracturation de la banquise et déformation à l’échelle régionale, ceci afin d’améliorer la modélisation de la rhéologie.

Les ondes acoustiques et/ou sismiques ont été mesurées dans la banquise depuis les années 50, mais ont jusqu’à présent été très peu exploitées. Des avancées technologiques – en particulier la possibilité de retransmettre automatiquement de larges quantités de données par l’intermédiaire du système Iridium – nous poussent à initier ce nouveau projet. Celui-ci s’appuie également sur des travaux exploratoires effectués lors de DAMOCLES et ayant démontré la possibilité d’utiliser les ondes de houle longue période pour estimer l’épaisseur de la banquise à partir de la perturbation du temps de trajet de ces ondes causée par la glace. En complément de cette méthode – qui requiert des arrivées d’onde bien définies et qui s’applique aux grandes échelles spatiales – la communauté sismologique a développé des techniques de corrélation de bruit, encore inexplorées à ce jour pour la banquise. Cette méthodologie permettra de mesurer l’épaisseur de la banquise à l’intérieur d’un réseau sismique, à des échelles variant du km à la centaine de km. Ces deux méthodes complémentaires permettront donc une mesure à faible coût des épaisseurs, et ce à toutes les échelles, et pourront s’intégrer dans un système de suivi à long terme de la banquise.

Les mêmes réseaux sismiques et GPS seront utilisés pour étudier la fracturation de la banquise et son lien avec la déformation à l’échelle régionale. La déformation élasto-fragile de la banquise, accommodée essentiellement par le jeu de fractures/failles à différentes échelles, est jusqu’à présent traitée dans les modèles rhéologiques de banquise comme un milieu continu au comportement visqueux-plastique. Cette approche a montré ses limites, en particulier avec l’amélioration de la résolution des modèles, et doit évoluer. Le présent projet devrait y contribuer en améliorant nos connaissances des processus associés. Ceci est particulièrement crucial du fait que la mécanique de la banquise et la cinématique associée contrôlent en grande partie les distributions d’épaisseur, et que la fracturation a un impact important sur les échanges océan-atmosphère par l’intermédiaire de l’ouverture des fractures.