Reflets de la Physique n°64 jan/fév/mar 2020
Reflets de la Physique n°64 jan/fév/mar 2020
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°64 de jan/fév/mar 2020

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 5,6 Mo

  • Dans ce numéro : au sein et autour de la SFP, le concours Beautiful Science de la SFP.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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16 » > ondes reconstruites par corrélation de longues séries temporelles de bruit est souvent biaisée et son utilisation directe n’est que rarement possible. Ces amplitudes ont pourtant une importance cruciale pour mesurer l’atténuation du milieu ou encore caractériser les effets de site – amplifications ou atténuations par les structures locales – pour l’évaluation du risque sismique. Calibrer l’amplitude des corrélations à partir d’enregistrements de séismes ou du calcul de sismogrammes synthétiques reste généralement nécessaire pour ce type d’application. Enfin, il peut arriver que le bruit sismique ne provienne que d’une seule direction, ce qui compromet même la reconstruction des ondes de surface par corrélation pour certains couples de stations. Qu’il s’agisse de mesurer des amplitudes ou des vitesses de propagation, les biais éventuels proviennent toujours d’un défaut de convergence des corrélations vers la fonction de Green lié au non-respect de la condition d’équipartition du champ d’onde généré que constitue le bruit ambiant (équilibre d’énergie entre les ondes P et S par diffusion et isotropie du champ). Aux fréquences qui intéressent les sismologues, le problème trouve généralement son origine dans une répartition spatiale ou temporelle inadéquate des sources de bruit autour de la zone étudiée. Il est intéressant de constater que les limitations évoquées ici sont finalement très proches de celles que l’on espérait éviter en remplaçant les séismes par des corrélations de bruit  : il est toujours préférable de connaitre les paramètres de la source du signal. En s’attaquant directement à l’étude de l’origine et des propriétés du bruit ambiant, une multitude de travaux récents montrent qu’il est encore possible de repousser les frontières du domaine d’utilisation des corrélations de bruit pour l’imagerie et la surveillance sismique à toutes les échelles. À l’échelle globale, on sait depuis des dizaines d’années que le bruit sismique ambiant contient des ondes de volume qui se propagent à travers toute la planète et trouvent leur source dans les grandes tempêtes océaniques. La corrélation de bruit entre deux récepteurs placés à la surface de la Terre et distants de plusieurs milliers de kilomètres permet-elle de reconstruire ces ondes de volume et d’accéder ainsi à de nouvelles informations sur la structure profonde de la Terre ? La réponse positive Reflets de la Physique n°64 à cette question a largement bénéficié de l’implantation récente de réseaux denses de plusieurs centaines à milliers de sismomètres de haute qualité fonctionnant pendant plusieurs années en continu, et de la distribution libre de leurs données. Le résultat est une augmentation significative de la qualité des enregistrements, permettant l’émergence dans les corrélations de bruit d’une multitude de trajets habituellement visibles seulement dans les enregistrements de forts séismes. La figure 2d montre les signaux obtenus par corrélation d’une année de bruit enregistré par des stations sismologiques réparties à la surface de la Terre (fig. 2b). Les corrélations sont ici classées en fonction de la distance (en degrés) qui sépare les couples de stations. En plus de l’onde de surface, on distingue nettement les ondes directes P et S ayant traversé le manteau. Les arrivées tardives, à partir de 40 mn, correspondent à des ondes réverbérées à l’antipode et ayant transité à travers le manteau et le noyau. L’utilisation d’un grand nombre de stations réparties à la surface de la Terre (fig. 2b) met en lumière la structure moyenne, radiale, de la Terre. Pour aller au-delà et caractériser des hétérogénéités de structure, ce type de reconstruction doit rester possible pour des trajets, et donc des couples de stations précis correspondant à des signaux extrêmement ténus. Afin d’optimiser les capacités d’observation de ces signaux faibles, on regroupe des stations sismologiques en antennes (ou miniréseaux) pour abaisser le seuil de détection. Différentes stratégies de filtrage permettent aussi de réduire les signaux parasites. Plutôt que de corréler de longues séries de bruit ambiant, une stratégie alternative pour reconstruire ces ondes de volume est de corréler des séries temporelles plus courtes, mais bien situées dans la coda (signaux tardifs) d’enregistrements de forts séismes. Ceux-ci génèrent en effet un champ riche en ondes de volume qui se réverbèrent à l’intérieur de la Terre pendant plusieurs jours après l’évènement. Des travaux récents discutent les avantages et inconvénients de l’utilisation de la coda des séismes plutôt que du bruit sismique pour sonder la Terre profonde. Dans les deux cas, la possibilité de réaliser des mesures locales par corrélations entre deux stations est une approche très prometteuse, alors que l’imagerie de la Terre profonde à partir des séismes est très limitée par leur distribution hétérogène à la surface du globe. On peut notamment citer la résolution limitée des modèles d’anisotropie de vitesse sismique de la graine (noyau interne), simplement due à l’absence de séismes en zones polaires (Arctique et Antarctique). À plus petite échelle, des travaux récents permettant d’améliorer la convergence de la corrélation de bruit vers la fonction de Green ouvrent des perspectives importantes pour la surveillance à haute résolution en temps et en espace de structures géologiques actives. On retrouve notamment ce type d’applications de surveillance « passive » dans des domaines de recherche aujourd’hui très dynamiques, comme les nombreux travaux sur le rôle des fluides dans l’initiation des séismes. Il s’agit par exemple de mieux comprendre les mécanismes responsables de la sismicité à proximité de certaines zones d’exploitation d’hydrocarbures (sismicité induite). Enfin, les méthodes présentées dans cet article trouvent une résonance particulière aujourd’hui, alors qu’un sismomètre vient d’être déployé sur Mars par la mission spatiale InSight (voir la photo, p.13). L’utilisation du bruit de fond et plus généralement de la corrélation de champs complexes, ou de l’autocorrélation dans le cas de l’unique station InSight, pourrait se révéler déterminante dans la caractérisation de la structure interne d’autres corps du système solaire, pour certains dépourvus de tectonique active et donc de séismes. Références 1 B. Romanowicz, Reflets de la physique 56 (2018) 4-9. 2 O.I. Lobkis et R.L. Weaver, J. Acoust. Soc. Am., 110 (2001) 3011-3017. 3 M. Campillo et A. Paul, Science, 299 (2003) 547-549. 4 N.M. Shapiro et M. Campillo, Geophys. Res. Lett., 31 (2004) L07614. 5 N. Nakata,L. Gualtiéri et A. Fichtner (eds.), Seismic ambient noise, Cambridge University Press (2019). 6 P.Boué et al., Geophys. J. Int., 194 (2013) 844-848. 7 Y. Lu et al., Geophys. J. Int., 214 (2018) 1136-1150.
Le comportement des matériaux granulaires humides hétérogènes, éléments incontournables de nombreux processus industriels et géophysiques, résiste encore à une modélisation complète. L’interaction des grains avec une phase liquide doit être éclaircie afin d’optimiser les procédés de mélange, notamment la dispersion des grains d’un agrégat cohésif. Modéliser ces interactions permettrait aussi de mieux décrire des éboulements granulaires dont les propriétés mécaniques évoluent avec des variations de teneur en liquide et de répartition spatiale. Des recherches actuelles se tournent vers la compréhension des échanges dans ces matériaux, pour isoler les mécanismes par lesquels des grains se mélangent à un liquide ou à une phase granulaire humide. Avancées de la recherche Érosion et accrétion de matériaux granulaires humides Alban Sauret (1,2), Guillaume Saingier (1) et Pierre Jop (1) (pierre.jop@saint-gobain.com) (1) Surface du Verre et Interfaces (UMR125 CNRS/Saint-Gobain), 93303 Aubervilliers Cedex (2) Department of Mechanical Engineering, University of California, Santa Barbara, CA 93106, USA 1. Exemple de milieu granulaire (billes de sucre de 3,8 mm de diamètre) saturé par de l’eau bleue, et sur lequel tombe un grain sec. Mélanger des grains et un liquide Quiconque a déjà préparé une pâte à crêpe ou une sauce béchamel a été confronté à la question des grumeaux. Cet exemple, bien qu’ordinaire, d’incorporation d’un liquide, en l’occurrence le lait, à une poudre, ici la farine, permet rapidement de cerner toutes les problématiques liées à ce type de mélange. L’objectif est d’obtenir une pâte lisse et homogène, le plus rapidement possible et avec le moins d’effort. L’apparition de grumeaux, des agrégats de farine encore secs, dispersés dans le lait, constitue le principal écueil à éviter, en ajoutant progressivement le lait et en mélangeant énergiquement. La cuisine est loin d’être le seul domaine où des mélanges granulaires sont réalisés. Ces phénomènes d’incorporation de liquide à des matériaux dispersés sont primordiaux dans de multiples applications industrielles et nombre de phénomènes naturels. On estime par exemple que 50% des produits vendus dans le monde sont issus de » > Reflets de la Physique n°64 17



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