Calibration au Pr´ e de Madame Carle

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A notre connaissance, peu d’´etudes de calibration entre mesures sismiques et donn´ees g´eomorphologiques existent. Nous pouvons cependant citer les tra-vaux effectu´es en laboratoire et sur le terrain de Huang et al. [2004, 2007]. Dans leurs ´etudes, les auteurs ont proc´ed´e, entre autres, `a une analyse des caract´eristiques des vibrations du sol produites par l’impact de particules de tailles variables. En lˆachant sur le lit d’une rivi`ere `a sec, des pierres d’un poids de 9 `a 50 kg, les auteurs ont montr´e que plus un impacteur est grand (ou lourd), plus le pic en fr´equence du signal produit est bas. Pour une exp´erience de calibration sur le terrain, nous nous sommes inspir´es de ce protocole.

Pr´esentation de l’exp´erience

Lors de la deuxi`eme mission dans le Massif des ´Ecrins en Septembre 2008, nous avons fait une exp´erience comparable `a celle d´ecrite par Huang et al. [2007]. Pour diff´erentes tailles de galets ´echantillonn´es dans le pr´e et dont les caract´eristiques sont mentionn´ees dans le Tableau 6.1, nous laissons tomber la particule d’une hauteur d’un m`etre sur la plaine en tresse d´enu´ee de couverture. Dans un second temps, les lˆachers sont reproduits sur une couverture de galets (Fig. 6.21). Le point d’impact des pierres est situ´e `a une distance de deux m`etres du sismom`etre de la station ECR02. Les donn´ees de cette station n’ont pas pu ˆetre exploit´ees suite `a la panne du disque dur d’acquisition. Nous avons n´eanmoins pu utiliser les enregistrements de la station ECR01, localis´ee `a 18 m de la zone d’impact.

Size Name S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 Minimum Axis (cm) 30 17 20 10 10 10 5

Median Axis (cm) 30 17 22 17 12 10 5 Maximum Axis (cm) 45 35 22 20 18 12 10

Weight (kg) 57.3 14.3 12.4 4.8 3.1 1.7 0.4

Tab. 6.1: Tableau des caract´eristiques des grains employ´es pour l’exp´erience de calibration dans le Pr´e de Madame Carle. Pour chaque pierre les axes minimum, m´edian et maximum sont mesur´es. Le poids d’une particule est calcul´e en supposant, pour un volume d’ellipso¨ıde, une masse volumique de 2700 kg/m3.

Fig. 6.21:Photographie de la station ECR01 illustrant pour l’exp´erience de calibra-tion, les deux types de zones o`u nous laissons tomber les grains d’une hauteur d’un m`etre. Les caract´eristiques des grains sont d´ecrites dans le Tableau 6.1.

Proc´edures d’analyses

Pour chaque taille d’objet et sur les trois composantes de l’instrument, nous extrayons dans le rep`ere ZRT une fenˆetre temporelle de 2 s centr´ee sur le pic d’amplitude associ´e `a l’impact (Fig. 6.22 et 6.23). Les premi`eres constatations montrent que plus une pierre est lourde, plus le pic d’amplitude du signal est fort. Nous notons aussi que la dur´ee des vibrations est plus longue pour les lˆachers en pr´esence d’une couverture de galets. Les multiples rebonds sur les galets pr´esents au sol peuvent expliquer l’allongement de la dur´ee du signal.

Par la suite, nous proc´edons sur ces morceaux de traces `a une analyse spectrale en utilisant la m´ethode de multitaper, d´ecrite dans la Chapitre 1. La station ECR01, ´etant sous l’influence du bruit sismique en provenance du torrent St Pierre, nous effectuons un spectre de base du signal enregistr´e avant les lˆachers et qui est soustrait aux spectres des vibrations produites par les impacts.

R´esultats

Plus les objets sont grands, plus l’´energie sismique enregistr´ee est impor-tante, et ce en pr´esence ou absence de couverture. Les composantes verticale et radiale montrent des niveaux de bruit sismique plus ´elev´es que sur la com-posante tangentielle (Fig. 6.24 et 6.25). Ce constat semble correct au vu du m´ecanisme de la source : un impact vertical.

Pour les grains impactant le lit de la plaine en tresse, plus une particule est petite, plus son pic spectral est `a haute-fr´equence. Sur les composantes Z et R, nous observons un saut de fr´equence du pic d’amplitude avec le galet de taille S3 (Fig. 6.24). Le pic en fr´equence passe d’une gamme 35-50 Hz `a une gamme 60-75 Hz avec la diminution du poids et la taille de l’objet. Ajout´e `a cette ´evolution, un niveau d’´energie constant va exciter de plus basses fr´equences pour les galets les plus lourds (Fig. 6.24).

L’´evolution du contenu spectral, pour les pierres qui impactent une cou-verture de galets, montre une nouvelle fois un maximum d’´energie sismique enregistr´ee sur les composantes Z et R (Fig. 6.25). Pour les galets d’un poids de 57.3 et 14.3 kg (tailles S1 et S2), les pics d’amplitude dans les gammes 35-50 Hz et 60-70 Hz sont ´equivalents alors que dans les pr´ec´edents lˆachers seule la gamme 35-50 Hz dominait. Toujours pour ces deux tailles (S1 et S2), il apparaˆıt une nouvelle bande d’´energie entre 15 `a 30 Hz. Pour les galets d’une taille inf´erieure `a S3, les pics d’amplitude se trouvent dans la bande 60-80 Hz. Comme avec les pr´ec´edents lˆachers, les plus basses fr´equences sont excit´ees pour une taille croissante de grain (Fig. 6.25).

Bilan : Les quelques observations faites apr`es ces exp´eriences pr´eliminaires au Pr´e de Madame Carle indiquent une possible signature en fr´equence de deux types. Premi`erement, le pic dominant dans le spectre est visible `a plus basse-fr´equence pour les objets de grande taille, comme dans les travaux de Huang et al. [2007]. Deuxi`emement, seuls les plus gros objets sont capables d’exciter les plus basses fr´equences. Par exemple, l’´energie sismique observ´ee `

a 10 Hz avec une pierre de 57 kg est 20 dB plus ´elev´ee que pour le galet de 0.4 kg (Fig. 6.24).

Fig. 6.22: Sismogrammes verticaux pour les grains impactant une zone sans couverture de galets. De haut en bas, la taille et le poids des objets diminuent. Le nom S# en haut `a gauche de chaque en-registrement rappelle les caract´eristiques de la pierre sp´ecifi´ees dans le Tableau 6.1.

Fig. 6.23: Sismogrammes verticaux pour les grains impactant une zone avec une couverture de galets. De haut en bas, la taille et le poids des objets di-minuent. Le nom S# en haut `a gauche de chaque enregistrement rappelle les ca-ract´eristiques de la pierre sp´ecifi´ees dans le Tableau 6.1.

Fig. 6.24: Spectres relatifs au bruit ambiant sur la composante Z (a), R (b) et T (c) pour les grains impactant une zone sans couverture de galets. Noter les deux types de r´eponses en fr´equence : (1) le pic dominant du spectre migre vers les hautes fr´equences pour une taille croissante et (2) plus lourdes sont les pierres, plus basses sont les fr´equences excit´ees.

Fig. 6.25:Spectres relatifs au bruit ambiant sur la composante Z (a), R (b) et T (c) pour les grains impactant une zone avec une couverture de galets. Une unique r´eponse en fr´equence est visible : plus le poids d’une pierre est grand, plus les fr´equences excit´ees sont basses.