Les innovations mathématiques des chercheurs de l'Université de Tohoku font progresser la détection d'un plus grand nombre de types (et de formes plus faibles) d'ondes sismiques, ouvrant la voie à une surveillance plus efficace des tremblements de terre et à une évaluation des risques.

Les résultats de leur étude ont été publiés dans IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. .

La collecte de données sismiques repose sur le nombre et le positionnement de capteurs appelés sismomètres. En particulier lorsque seul un déploiement limité de capteurs sismiques est possible, comme dans des environnements difficiles comme la planète Mars ou lors de la surveillance à long terme du carbone capturé et stocké, l'optimisation de l'extraction des données de chaque capteur devient cruciale.

Une méthode prometteuse pour y parvenir est l’analyse de polarisation, qui implique l’étude du mouvement des particules 3D et a attiré l’attention pour sa capacité à exploiter des données à trois composantes, offrant plus d’informations que les données à une seule composante. Cette approche permet la détection et l'identification de diverses formes d'ondes sismiques polarisées, notamment les ondes S, les ondes P et autres.

L'analyse de polarisation à l'aide d'une matrice spectrale (SPM) est notamment une technique utilisée pour analyser la façon dont les particules se déplacent en trois dimensions au cours du temps et à différentes fréquences, c'est-à-dire dans le domaine temps-fréquence. Cependant, dans les scénarios où le signal souhaité est faible par rapport au bruit de fond (appelés événements à faible rapport signal/bruit (SNR), typiques des réservoirs souterrains), l'analyse SPM se heurte à des limites.

En raison de contraintes mathématiques, il ne peut caractériser que le mouvement linéaire des particules (c'est-à-dire les ondes P rapides et faciles à détecter), ce qui rend difficile l'analyse d'autres formes d'onde (telles que les ondes S secondaires arrivant).

"Nous avons surmonté les défis techniques de l'analyse SPM conventionnelle et l'avons élargie pour une réalisation de polarisation plus large en introduisant des composants de retardement", a déclaré Yusuke Mukuhira, professeur adjoint à l'Institut des sciences des fluides de l'Université de Tohoku et auteur principal de l'étude.

Par rapport aux techniques existantes, l'incorporation par son équipe de composants de retard a amélioré la précision de l'analyse SPM, permettant la caractérisation de diverses ondes polarisées, y compris les ondes S, et la détection d'événements à faible SNR avec des amplitudes plus petites.

Une innovation clé de l'étude est l'introduction d'une nouvelle fonction de pondération basée sur les informations de phase du premier vecteur propre, un vecteur spécial qui, lorsqu'il est multiplié par la matrice, donne une version mise à l'échelle du vecteur d'origine. Le but de la fonction de pondération est d'attribuer différents niveaux d'importance aux différentes parties des signaux en fonction de leur signification, réduisant ainsi les fausses alarmes.

Les tests de forme d'onde synthétique ont montré que cet ajout améliorait considérablement l'évaluation de la polarisation des ondes sismiques, un facteur crucial pour distinguer le signal du bruit.

"Techniquement, nous avons développé une technique de traitement du signal qui améliore l'analyse du mouvement des particules dans le domaine temporel et fréquentiel", a déclaré Mukuhira.

L'équipe de recherche a validé sa méthodologie à l'aide de données réelles enregistrées sur le champ gazier de Groningen aux Pays-Bas. Les résultats ont montré des performances supérieures de détection de mouvements sismiques, mettant en lumière deux événements à faible SNR qui étaient auparavant passés inaperçus par les méthodes conventionnelles.

Ces résultats présentent un potentiel d'application dans divers domaines, notamment la sismologie et la géophysique, en particulier dans la surveillance des conditions souterraines avec des points d'observation limités. Les implications s'étendent à la surveillance des tremblements de terre, à l'exploration planétaire et au développement des ressources.