Simulation d’ondes sismiques haute fréquence générées par des éboulements sur topographie réelle

Rockfall hazard has to be evaluated and monitored in order to prevent loss of life and infrastructure. In this regard it is important to create event catalogs and understand rockfall dynamics. Seismic waves can help for this purpose as they carry valuable information of the event. They are generated when rockfalls impact the ground and can be used to detect, classify and locate events. Beyond that, rockfall properties such as their volume and their dynamic behavior can be inferred. Yet, high frequency seismic signals (>1Hz) are poorly understood. This is because they are associated to complex seismic sources which are spatially distributed and can rapidly vary over time. On top of this, high frequency seismic waves are prone to be scattered and diffracted due to interactions with soil heterogeneities or surface topography. This thesis takes an important step forward to enhance understanding of high frequency rockfall seismic signals by simulating seismic wave propagation on domains with realistic velocity profiles and 3D surface topographies using the Spectral Element Method (SEM). The influence of the topography on the seismic wave field is investigated. It is found that topography induced amplification is substantially different between deep sources and sources located at the surface. This is because surface waves generated by shallow sources are exposed to constant scattering and diffraction when traveling along the surface. The energy decay along the surface is investigated for different velocity models and equations are derived to back-calculate the total seismic energy radiated by the source. This is of interest as the rockfall seismic energy is related to the rockfall volume. In order to account for topography effects, a correction factor is proposed which can be introduced in the energy calculation. Observed seismic signals generated by rockfall at Dolomieu crater on Piton de la Fournaise volcano, La Réunion, are analyzed. Synthetic seismograms are used to identify and interpret observed signals generated by single impacts. The influence of topography on the waveforms is demonstrated and the sensitivity on source location as well as source direction is evaluated. Signal characteristics such as amplitudes and frequency content are explained based on Hertz contact theory. Additionally, inter-station spectral ratios computed from rockfall seismic signals are shown to be characteristic of the source position. Comparison with simulated spectral ratios suggest that they are dominated by the propagation along the topography rather than the mechanism of the source. Based on these findings, a method is proposed for the localization of rockfalls using simulated inter-station energy ratios. The method is applied to localize rockfalls at Dolomieu crater. The implementation of the method involves a sliding time window which allows a straightforward application on continuous seismic signals. The potential of the method to monitor rockfall activity in real-time is emphasized.Les risques d'éboulements doivent être évalués et surveillés afin de prévenir les pertes de vies humaines et dommages aux infrastructures. A cet égard, il est important de créer des catalogues d'événements et de comprendre la dynamique des éboulements. Les ondes sismiques peuvent être utiles à cette fin, car elles transmettent des informations précieuses sur l'événement. Elles sont générées lorsque des éboulements touchent le sol et peuvent être utilisées pour détecter, classer et localiser des événements. Plus encore, on peut déduire des propriétés des éboulements telles que leur volumes et leur comportement dynamique. Cependant, les signaux sismiques hautes fréquences (>1Hz) sont mal compris. En effet, ils sont associés à des sources sismiques complexes qui sont réparties dans l'espace et peuvent varier rapidement dans le temps. De plus, les ondes sismiques hautes fréquences sont susceptibles d'être diffusées et diffractées en raison des interactions avec les hétérogénéités du sol ou la topographie de surface. Cette thèse franchit une étape importante dans la compréhension des signaux sismiques hautes fré-quences des éboulements en simulant la propagation des ondes sismiques en utilisant la méthode des éléments spectraux (SEM) avec des profils de vitesse réalistes et des topographies de surface 3D. L'influence de la topographie sur le champ des ondes sismiques est étudiée. On constate que l'ampli-fication induite par la topographie est sensiblement différente entre les sources situées en profondeurs et celles situées en surface. En effet, les ondes de surface générées par des sources peu profondes sont exposées à une diffusion et à une diffraction constantes lorsqu'elles se déplacent le long de la surface. La désintégration de l'énergie le long de la surface est étudiée pour différents modèles de vitesse et des équations sont dérivées pour calculer rétroactivement l'énergie sismique totale rayonnée par la source. Ceci est intéressant du fait du lien entre l'énergie sismique et le volume d'éboulement. Afin de tenir compte des effets topographiques, il est proposé un facteur de correction qui peut être introduit dans le calcul de l'énergie. Les signaux sismiques générés par les éboulements du cratère Dolomieu du Piton de la Fournaise, à La Réunion, sont analysés. Les sismogrammes synthétiques sont utilisés pour identifier et interpréter les signaux observés qui sont générés par des impacts uniques. L'influence de la topographie sur les formes d'onde est démontrée et la sensibilité avec l'emplacement et la direction de la source est évaluée. Les caractéristiques du signal telles que les amplitudes et le contenu fréquentiel sont expliquées sur la base de la théorie du contact de Hertz. De plus, les rapports spectraux entre stations, calculés à partir des signaux sismiques d'éboulement, sont considérés comme caractéristiques de la position de la source. La comparaison avec les rapports spectraux simulés suggère qu'ils sont dominés par la propagation le long de la topographie plutôt que par le mécanisme de la source. Sur la base de ces résultats, une méthode est proposée pour la localisation des éboulements à l'aide de rapports énergétiques simulés entre stations. La méthode est appliquée pour localiser les éboulements dans le cratère de Dolomieu. La mise en œuvre de la méthode implique une fenêtre temporelle glissante qui permet une application simple sur des signaux sismiques continus. L'accent est mis sur la capacité de la méthode à surveiller l'activité des éboulements en temps réel