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Caractérisation de la houle dans le Pacifique Sud par le bruit de fond microsismique

Ce travail a été effectué en collaboration avec le CEA-LDG (D. Reymond) mais aussi avec Météo France qui a hébergé deux stations sismologiques en Polynésie Française et qui est intéressée par ces nouveaux développements qui permettent de pallier l’absence de houlographe dans le Pacifique Sud.

Spectre de bruit microsismique enregistré à la station MAT à Mataiva dans les Tuamotu, pour le mois de janvier 2003. Le Pic "D" représente le bruit microsismique "double fréquence" à 5 sec de période et le pic secondaire "S" caractérise le bruit lié à la houle, dans des périodes de 8 à 20 sec. La houle est un phénomène météorologique qui peut engendrer d’énormes dégâts matériels et humains, en particulier sur les atolls où l’altitude maximale est de l’ordre de 1 à 2 mètres. De par son intérêt sismologique (signal qui va interférer avec le signal sismologique) et ses implications sociales, ce phénomène méritait donc une attention particulière.

Toutes les stations installées sur des îles hautes ou sur des atolls sont affectées par un important bruit de fond microsismique lié à la houle. Les analyses spectrales de ce bruit de fond mettent en évidence un pic de bruit dans les fréquences de 0.05 à 0.09 Hz (c’est à dire pour les périodes de 11 à 20 s), qui correspondent aux fréquences typiques de la houle et qui vont interférer avec le signal télésismique des ondes de volumes. Une analyse fine et quotidienne du bruit de fond dans nos installations a montré tout d’abord que la qualité de nos installations temporaires était dans la moyenne globale des stations insulaires.

La mesure de la polarisation du sol (ici en microns) dans la gamme de période de la houle (10 à 20 sec), permet de quantifier son amplitude et sa direction. Cet exemple présente le mouvement horizontal du sol lors d'une période calme (à droite, amp. ± 1 micron) et d'un épisode de houle venant du sud en septembre 2002 (à gauche, amp. ± 10 microns) à la station REA dans les Tuamotu. L’analyse des mouvements du sol montre que ce bruit est de forme elliptique et essentiellement contenu dans le plan horizontal. Nous avons développé des outils pour effectuer des mesures quasi-continues de l’amplitude et de l’azimut de ce bruit de fond. Nous montrons que, dans cette gamme de fréquence, l’amplitude du bruit de fond microsismique varie de façon très semblable de stations en stations.

Par ailleurs, en comparant nos observations aux amplitudes et azimuts de houle prédites par les modèles de la NOAA (modèles WaveWatchIII), nous montrons que l’amplitude du bruit de fond microsismique se corrèle très bien à l’amplitude prédite de la houle et que l’on peut donc effectuer en routine un suivi de la houle dans de telles régions océaniques via des stations sismologiques. Nous montrons par contre que les azimuts déduits des données sismologiques doivent être considérés avec soin car la vibration des îles est souvent influencée par leurs formes anisométriques qui peuvent induire de fortes réfractions de la houle. Nous démontrons toutefois que certaines stations comme celle de Tahiti ou sur certains atolls de forme circulaires permettent de remonter de façon fiable aux deux paramètres qui caractérisent la houle, c’est à dire son amplitude et sa direction, offrant ainsi un moyen indirect de quantifier et de suivre les épisodes de houle dans le Pacifique sud.

Exemple de corrélation entre l'amplitude du bruit microsismique (points bleus, en microns) et l'amplitude de la houle (courbe rouge, en m) prédite à Tahiti (station PPT) en avril 2003.
L’utilisation de données infrasoniques enregistrées à Tahiti par le réseau IS24 du CEA a permis de montrer que la houle engendrait également des variations de pression atmosphérique qui ont une signature tout à fait exploitable dans le suivi et la caractérisation de son activité.

Article lié à ce travail

Barruol, G., Reymond, D., Fontaine, F. R., Hyvernaud, O., Maurer, V. & Maamaatuaiahutapu, K., 2006. Characterizing swells in the southern Pacific from seismic and infrasonic noise analyses, Geophys. J. Int., 164, 516-542, doi:10.1111/J.1365-246X.2006.02871.x.