Bruits des océans et séismes | Etudes mathématiques

Le bruit n’est pas toujours une nuisance.

La notion de bruit est souvent associée à des nuisances : nuisances sonores aux oreilles de riverains excédés, mauvaise qualité d’images qu’on dit alors bruitées, etc. Il s’avère que le brouhaha incessant des océans est utile… pour savoir ce qui se passe en dessous ! Ceci fait partie de découvertes récentes, fruits d’interactions entre sismologues et mathématiciens.

Les sismologues avaient compris dès le début du XXème siècle que l’on pouvait écouter notre planète à l’occasion des tremblements de terre pour en déterminer la structure : c’est ainsi qu’on a découvert les différentes couches qui la composent, depuis la croûte terrestre jusqu’à la graine solide en passant par le manteau et la partie liquide du noyau. Les sociétés minières et pétrolières savent aussi analyser le sous-sol grâce à la propagation d’ondes sismiques, qu’elles provoquent le plus souvent par des explosions. Mais de la croûte à grande échelle, et pas seulement près des ressources minières, on ne savait pas grand-chose jusqu’à une époque récente. Son épaisseur de quelques dizaines de kilomètres, faible au regard des dimensions de la Terre, la rend néanmoins inaccessible aux forages (le record de profondeur actuel dépassant à peine les 12 km) et à l’exploration au moyen d’ondes sismiques provoquées par l’Homme. Quant aux séismes, ils sont localisés dans le temps et dans l’espace, et malgré le développement des stations sismologiques à la surface du globe, les données fournies par les enregistrements sont forcément parcellaires, ne serait-ce que parce que la majeure partie de cette surface est sous l’eau !

À la fin des années 1960, le sismologue japonais Keiiti Aki eut l’idée d’exploiter des données considérées jusque-là totalement inutiles, en l’occurrence celles contenues dans ce qu’on appelle la coda des sismogrammes. En référence au terme musical, la coda désigne le faible signal, en apparence très désordonné, qui persiste plusieurs minutes après un séisme. Dans le même esprit, Michel Campillo et ses collaborateurs sont parvenus, au début des années 2000, à exploiter non seulement la coda mais aussi le bruit de fond causé par l’interaction des océans avec la croûte terrestre. Cette dernière est en effet mise en vibration, même si c’est de façon très ténue, par le mouvement des océans. Or la vitesse de propagation de ces vibrations apporte des informations précises sur la nature des roches qui composent la croûte. Encore faut-il pouvoir déterminer cette vitesse !

Les sismologues ont justement réussi, en comparant le bruit sismique enregistré par deux stations, à reconstituer le signal qui aurait été enregistré à l’une de ces stations si un séisme avait eu lieu à l’autre station. Des travaux mathématiques sont venus appuyer, par une théorie rigoureuse sur des modèles simplifiés mêlant des notions de probabilités, de géométrie et d’analyse, les premières découvertes effectuées par Michel Campillo et son équipe. Même appliquée à des situations plus réalistes, la méthode ainsi mise au point permet d’estimer précisément la vitesse de propagation des ondes élastiques dans la croûte terrestre. Ainsi une nouvelle sismologie peut se développer sans même avoir besoin de séismes ! Le fait que chaque station sismique puisse être considérée comme l’épicentre virtuel d’un séisme infiniment répété permet, en outre, de détecter d’infimes variations temporelles des vitesses sismiques : celles-ci pourraient servir à anticiper certains événements sismiques majeurs, tremblements de terre et éruptions volcaniques.

Brève rédigée par Sylvie Benzoni-Gavage (Université Lyon 1), d’après les travaux de Michel Campillo et d’Yves Colin de Verdière.

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