Multiple scattering of seismic waves and analogous ultrasonic experiments
Diffusion multiple des ondes sismiques et expériences analogiques en ultrasons
Résumé
This thesis manuscript is devoted to the study of the seismic and ultrasonic wave propagation in complex media. Two methods are proposed to take advantage of the phase information contained in diffuse waves. Several applications are discussed. 1) Weak localization of seismic waves is observed on a volcano (Auvergne). This field experiment demonstrates the presence of multiple scattering in coda waves, and allows the direct measurement of the transport mean free path of the sub-surface that quantifies the heterogeneities. 2) A passive imaging technique is proposed: it is based on the correlation of diffuse field or noise, a correlation that yield the elastic or acoustic Green function between passive sensors as if one of them was a source. This technique is generalized to open scattering media. A physical interpretation based on a Time-Reversal analogy is developed. The time symmetry of the correlations is studied, with means of numerical simulations, seismic experiment in Alaska, and ultrasonic experiment in the lab using a small medium analogous to the Earth's crust. The role of scattering and source position is emphasized. 3) The passive imaging technique is used to perform the tomography of a layered medium, to image of interfaces and localized reflectors. In the end this technique is applied to Lunar seismic noise records, acquired by four geophones emplaced on the Moon during Apollo 17 mission (1972). This last observation demonstrates the feasibility of correlating the noise to image the subsurface on other planets than the Earth, which should provide a novel avenue for future extraterrestrial exploration missions.
Cette thèse porte sur la propagation des ultrasons et des ondes sismiques de la coda en milieu hétérogène. Nous proposons deux méthodes d'analyse de l'information portée par la phase (la forme) des signaux diffus. 1) La localisation faible des ondes sismiques (~rétrodiffusion cohérente) a été observée sur un volcan (Auvergne). Cette expérience démontre la présence de diffusion multiple dans la coda et permet de quantifier le degré d'hétérogénéité du milieu. 2) Une technique d'imagerie passive a été développée : elle permet de faire de l'imagerie "sans source" par corrélation les ondes de la coda ou du bruit ambiant en milieu ouvert et diffusant. Une interprétation physique basée sur une analogie entre les corrélations et le retournement temporel a été proposée. Une étude approfondie du phénomène d'asymétrie temporelle des corrélation a été menée, fondée sur des simulations numériques, sur une expérience de sismologie en Alaska, et sur une expérience analogique en ultrasons (croûte terrestre analogique). L'importance de la position des sources et le rôle de la diffusion ont été démontrés. 3) La technique d'imagerie passive a été appliquée à l'imagerie ultrasonore d'un milieu stratifié par tomographie passive, à l'imagerie d'une interface et de deux diffuseurs isolés, et enfin au bruit sismique enregistré sur la Lune pendant la mission Apollo 17 (1972). La technique d'imagerie passive est donc opérationnelle sur d'autre planètes que la Terre, elle pourra être mise en oeuvre dans les futures missions spatiales, en particulier sur la Lune et sur Mars.