Lucile Fayon : Instrumentation sismologique spatiale : Fonction de transfert du sismomètre 6 axes InSight et développement d’un capteur de déplacement picométrique par interférométrie

Le doctorat de Lucile Fayon a été financé par UnivEarthS, chez qui elle a travaillé au sein de l’équipe I3 : Physique fondamentale et géophysique dans l’espace, à l’IPGP et l’APC sous la direction de Philippe Lognonné et Hubert Halloin.

Elle a soutenu sa thèse le mardi 17 avril 2018 à l’Université Paris-Diderot.

Intitulé de la thèse:

 

Instrumentation sismologique spatiale : Fonction de transfert du sismomètre 6 axes InSight et développement d’un capteur de déplacement picométrique par interférométrie

Cliquez ici pour consulter le manuscrit complet de la thèse de Lucile Fayon.

Résumé :

La compréhension de la formation du Système Solaire et de son évolution est profondément connectée aux connaissances que nous pouvons avoir sur les structures internes de ses planètes. Des études sismiques in-situ sont donc cruciales pour sonder la structure (répartition et épaisseur des couches) et la composition interne des planètes telluriques.

L’instrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) se posera sur Mars en 2018 (mission InSight de la NASA). Il contient deux types de capteurs sismiques : les VBBs (Very Broad Band) et SPs (Short Period), montés sur le LVL (système de nivellement mécanique) qui a un double objectif : assurer le placement horizontal des capteurs sur le sol de Mars dans des conditions locales inconnues et fournir leur couplage mécanique au sol. Dans cette thèse, un modèle analytique simple du LVL est développé afin de reproduire son comportement mécanique grâce au calcul de ses résonances et de sa fonction de transfert. Ce modèle permettra d’étudier l’effet du LVL sur les données sismiques des VBBs et SPs enregistrées sur Mars. Celui-ci est d’abord implémenté numériquement puis sa validation est garantie grâce à l’observation de grandes similitudes entre nos résultats et ceux des expériences réalisées en laboratoire avec le modèle de vol du LVL. Ces comparaisons prouvent ainsi la fidélité du modèle à la réalité. Après quelques simulations, on remarque également une influence importante du couplage mécanique entre les pieds du LVL et le sol dans les résonances trouvées. Une étude d’inversion est alors réalisée afin d’observer si le modèle pourrait permettre une estimation des propriétés élastiques du sol au niveau du site d’atterrissage InSight. Un autre travail consiste à modéliser les 6 capteurs VBBs et SPs sur le LVL et observer la réponse de l’instrument 6 axes en translation et en rotation. Cette étude permet notamment d’estimer les performances de SEIS en rotation, qui peut être une information clé pour déterminer la vitesse de phase des ondes sismiques de surface, fortement dépendantes de la composition du sol. Cette vitesse sera calculée sur Mars en réalisant une expérience sismique active grâce à l’autre instrument principal d’InSight : HP3.

Aujourd’hui, de nouveaux projets sont étudiés pour un retour sismique sur la Lune. En effet, bien qu’ayant une bonne résolution en terme de déplacement du sol les sismomètres Apollo étaient cependant incapables de détecter le bruit sismique du sol lunaire, appelé « meteoritic hum ». Ce bruit, dû aux chutes continues de micro-météorites, a une amplitude estimée à 1/100ème de la résolution des sismomètres Apollo. Les phases sismiques du noyau, même si estimées grâce au « stacking » des données, n’ont pas non plus été directement enregistrées. Une nouvelle génération de sismomètres, 100 à 1000 fois plus sensibles que ceux d’Apollo, est donc désirée. Cette sensibilité pourrait permettre d’atteindre le plancher du bruit sismique lunaire et de tirer ainsi bénéfice de l’intégralité des ondes générées par l’activité sismique lunaire. La structure d’un tel sismomètre serait un capteur de déplacement, toujours lié à une masse d’épreuve, mais présentant de grosses améliorations en termes de performance, linéarité, et niveau de bruit. Pendant cette thèse, un prototype de système de lecture optique de déplacement pour sismomètre lunaire ultra-sensible est développé, basé sur l’utilisation de la technologie des détecteurs d’ondes gravitationnelles. En effet, celle-ci est une référence en termes de mesures interférométriques à basse fréquence et très bas niveau de bruit. Le prototype construit est ainsi basé sur la technique de stabilisation laser appelée « Pound-Drever-Hall ». L’objectif est d’améliorer la sensibilité des VBBs d’InSight d’environ 2 ordres de grandeur. Le principe de la mesure est présenté dans ce manuscrit, ainsi que ses performances attendues, les choix techniques d’implémentation de l’expérience et les premiers résultats.