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Innovation technologique pour analyser, remédier ou réduire les risques environnementaux (DS0102)
Edition 2014


E-GRAAL


Alerte sismique précoce via la détection des perturbations de gravité lors de la rupture de la faille

Système d'alerte précoce des tremblements de terre basée sur la perturbation de la gravité
Étude de la faisabilité d'un système d'alerte précoce des tremblements de terre basée sur la détection de la perturbation de la gravité pendant la rupture de la faille.

Étude de la faisabilité d'un système d'alerte précoce des tremblements de terre basée sur la détection de la perturbation de la gravité pendant les premières secondes de la rupture de la faille.
L'objectif the ce projet est l’étude de la faisabilité d'un système d'alerte précoce des tremblements de terre basée sur la détection de la perturbation de la gravité pendant les premières secondes de la rupture de la faille. Les systèmes d'alerte précoce des tremblement de terre (ou earthquake early-warning systems, EEWS) sont des dispositifs automatiques (composé par des sismomètres et des systèmes de communication) capable de détecter la survenue d'un tremblement de terre le plus tôt possible et délivrer une alerte régionale avant l'arrivée des fortes secousses sismiques. Les systèmes conventionnels utilisent la différence de vitesse entre les ondes P (plus rapides et non dangereuses) et les ondes S (plus lentes et destructives). Chaque seconde d'alerte peut avoir un grand impact en terme de préservation des vies humaines et des la réduction des conséquences du tremblement de terre, car il permet l'activation de procédures de sécurité pour les personnes, mais aussi le lancement de systèmes de prévention automatique (l'arrêt de trains, l'arrêt des ascenseurs, le contrôle des feux de signalisation, la sauvegarde de données informatiques vitales et d’autres). Puisque la perturbation du champ de gravité se produit à la vitesse de la lumière, un système d’alerte basé sur la gravité pourrait être beaucoup plus rapide des systèmes conventionnels. De plus ce système pourrait réduire la zone aveugle d'un système d'alerte (la zone trop proche de l'hypocentre ou il n'est pas possible de délivrer une alerte), mais aussi d'avoir une estimation plus rapide de la magnitude du tremblement de terre.

Modélisation et recherche d'un signal de gravité, étude de faisabilité d'un détecteur de gravité et développement des stratégies d'implementation d'un système d'alerte basée sur la gravité
Le projet est structuré en trois parties: 1) Modéliser la perturbation de gravité pendant la rupture de la faille basée sur des modèles réalistes de sources et du milieu environnant, et comparer les modèles avec des données par les scissomètres et gravimètres existants, 2) Étudier la faisabilité d'un détecteur de tremblement de terre par la gravité avec une sensibilité suffisante pour être utilisé dans un système d'alerte rapide. Dans cette partie nous étudions la faisabilité de concepts différents de gradiomètres mesurant la gravité avec des masses isolées du bruit sismique, 3) Développer les stratégies en traitement du signal d'un système basé sur la gravité (extraction des paramètres appropriés, tels que localisation, magnitude, probabilité de fausse alarme) et pour l'implémentation pratique d'un système d'alerte opérationnel et leur couplage avec les EEWS existants.

Résultats

1) La première partie du travail a été focalisé sur la recherche d'un signal de gravité avant l'arrivée des ondes sismique (jamais observé avant) et la modélisation des signaux de gravité par des méthodes analytiques et numériques. Une première analyse montre qu'un signal de gravité est présent (avec un niveau de confiance de 99%) dans un gravimètre supraconducteur à ~ 400 km de la source et avant les ondes sismiques (Montagner et al., Nature Communications, 2016). Ce travail a permis de démontrer l'existence du signal, de comprendre les limites de sa détection avec les instruments existants, et de comparer les modèles aux données. Dans ce travail nous avons utilisé un premier calcul analytique du signal de gravité dans un espace infini et homogène (J.Harms et al., 2016). Ce calcul a été fondamental pour comprendre les ordres de grandeurs des signaux de gravité. Des résultats prometteurs (qui seront publiés bientôt) dans des configurations plus réalistes ont été obtenus avec la technique des modes propres de la terre. 2) Nous avons étudié l'impact du bruit du aux perturbations locales de gravité sur un détecteur de gravité: le bruit généré par les ondes sismiques, par les mouvements de masses d'air et par les objets en mouvement autour du détecteur. 3) Une étude préliminaire d’implémentation d’un système de détection précoce de ruptures sismiques reposant sur la gravité a été réalisée. Cette étude suppose la disponibilité d’un instrument de haute précision. Elle cherche à optimiser les performances de détection d’un réseau comprenant ces instruments. d’un réseau comprenant ces instruments.

Perspectives

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Productions scientifiques et brevets

Transient gravity perturbations induced by earthquake rupture, J.Harms et al. Journal of Geophysical Journal International, 201, 1416–1425 Prompt gravity signal induced by the 2011 TohokuLOki earthquake, J.4P.Montagner et al. – Nature Communications, DOI:10.1038 /natcomms13349 (2016)

Partenaires

APC Astroparticule et Cosmologie

IPGP Institut de physique du globe de Paris

Aide de l'ANR 348 691 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2014 - 36 mois

Résumé de soumission

L'objectif du projet est de démontrer la faisabilité d'un système d'alerte précoce des tremblements de terre basé sur la détection de la perturbation de la gravité pendant les premières secondes de la rupture. Les systèmes d'alerte précoce des tremblements de terre (EEWS en anglais) sont des dispositifs automatiques composés de sismomètres et d'un système de communication capables de détecter le plus tôt possible l'occurrence d'un tremblement de terre et de délivrer une alerte régionale avant l'arrivée des fortes secousses sismiques. Les systèmes conventionnels utilisent la différence de vitesse entre les ondes P (plus rapides et assez peu dangereuses) et les ondes S (plus lentes et destructrices). Chaque seconde anticipée peut avoir un grand impact en terme de préservation de vies humaines et de réduction des conséquences duséisme, car il permet l'activation de procédures de sécurité pour les personnes, mais aussi l'intervention de systèmes automatiques de prévention (arrêt de trains, fermeture de gazoducs, arrêt des ascenseurs, contrôle des feux de signalisation, sauvegarde de données informatiques vitales, ...). La perturbation du champ de gravité étant instantanée, un système basé sur la gravité pourrait être beaucoup plus rapide que les systèmes conventionnels. De plus, une alerte basée sur la gravité permettrait en principe de réduire la "zone aveugle" (zone autour de l'épicentre où aucune alerte n'est envisageable) et une détermination plus rapide de la magnitude de l'événement dès la fin de la rupture contrairement aux systèmes conventionnels où cette estimation peut prendre de nombreuses minutes voire une vingtaine de minutes.
Selon nos résultats préliminaires, les sismomètres et les gravimètres actuels ne sont pas assez performants pour être utilisés par un EEWS basé sur le champ de gravité, et en particulier pas assez sensibles aux fréquences de Fourier autour 0.1Hz où le pic de signal de gravité est attendu pendant la rupture. De nouveaux instruments avec une bien meilleure sensibilité intrinsèque à 0.1Hz s'avèrent donc nécessaires. En l'absence d'isolation sismique, les instruments actuels mesurent dans cette bande de fréquences, le signal lié au bruit de fond sismique plutôt que la perturbation du champ de gravité. L'approche suivie pour améliorer la sensibilité consiste à mesurer l'accélération gravitationnelle relative entre deux masses-tests isolées sismiquement. Ce concept de détecteur est connu sous le nom de "gravity strainmeter". Des progrès très rapides ont été faits depuis 20ans dans le développement de la mesure ultra-sensible de la déformation associée à la gravité sous l'impulsion de la communauté scientifique travaillant sur la détection des ondes gravitationnelles. Nous nous sommes orientés vers ce type de détecteurs, tels que les antennes de barres de Torsion ou les interféromètres atomiques, en développement pour la détection des ondes gravitationnelles aux fréquences sub-Hz. Ces nouveaux instruments peuvent être donc utilisés pour la détection des tremblements de terre. Des résultats préliminaires montrent qu'une antenne à barre de torsion avec une sensibilité en déformation de10r-15 sqrt(Hz) peut détecter un séisme de magnitude 6 à plus de 100km de distance avec un rapport signal à bruit supérieur à 10.
Pour atteindre l'objectif de ce projet trois tâches différentes, toutes aussi cruciales et complémentaires, doivent être accomplies: 1) Modéliser la perturbation de gravité pendant la rupture de la faille basée sur des modèles réalistes de sources et du milieu environnant, 2) Démontrer la faisabilité d'un détecteur de tremblement de terre par la gravité, 3) Développer les stratégies en traitement du signal d'un système basé sur la gravité (extraction des paramètres appropriés, tels que localisation, magnitude, probabilité de fausse alarme) et pour l'implémentation pratique d'un système d'alerte opérationnel et leur couplage avec les EEWS existants.

 

Programme ANR : Innovation technologique pour analyser, remédier ou réduire les risques environnementaux (DS0102) 2014

Référence projet : ANR-14-CE03-0014

Coordinateur du projet :
Monsieur Matteo BARSUGLIA (Astroparticule et Cosmologie)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.