Potential and limitations of noise-based surface-wave tomography for numerical site effect estimation: a case study in the French Rhône valley
Potentiel et limites de l’imagerie sismique passive en ondes de surface pour l’estimation numérique des effets de site : un cas d’étude dans la vallée du Rhône (France)
Abstract
In certain geological settings such as sedimentary basins, the ground motion induced by an earthquake may be amplified by local site conditions. Estimating these site effects is important for seismic hazard assessment but can be difficult to do empirically due to the scarcity of site-specific field data in time and space, especially in low-to-moderate seismicity regions where the earthquakes needed for measuring the site effects have long return periods. In this study, we try to overcome these limitations and investigate an alternative approach based on ambient seismic noise and numerical simulations. More specifically, we use a 3D numerical model of seismic properties derived from Ambient Noise Surface-Wave Tomography (ANSWT) for 3D numerical simulations of seismic wave propagation, and consequently for a numerical estimation of seismic amplification in the basin. We illustrate the approach on a target site located in the French Rhône valley, where the Messinian salinity crisis has dug a paleo-canyon which is now filled by soft sediments in direct contact with a harder substratum, thereby providing typical conditions for significant site effects, as also observed by previous studies in the area. This work makes use of two dedicated datasets. On one hand, we use earthquake recordings acquired by a network of broadband stations deployed over the target site over 8 months, in order to estimate seismic amplification in the basin with respect to a rock-site reference via Standard Spectral Ratios (SSR), which we consider as our reference for evaluating our numerical results. On the other hand, we exploit one-month-long ambient noise recordings acquired by a dense array of 400 3C sensors. Prior to this work, this noise data was used to build a 3D shear-wave velocity (VS) model of the target site via ANSWT, and also to estimate seismic amplification via noise-based Standard Spectral Ratios (SSRn). The obtained ANSWT model well reproduces the main geological structures of the basin, with lateral variations of velocities at depth depicting the deeper parts of the basin. However, our simulation results also show that some of its limitations related to surface wave sensitivity and resolution capability have an impact on the numerical amplification predicted in the basin. In particular, this ANSWT model lacks clear basin edges in order to efficiently trap seismic waves in the basin and to generate significant 3D wave propagation effects (diffractions, reflections, and generation of laterally propagating surface waves at the edges of the basin). As a result, the numerical amplification predicted in the ANSWT model remains dominated by a 1D response and does not reproduce the broadband character of the observed amplification at locations affected by significant 3D propagation effects. On the other hand, the numerical amplification predicted in the ANSWT model shows a good agreement with the observations at locations that seem less affected by 3D propagation effects, including in complex regions of the model where lateral variations must be taken into account. Our results therefore contribute to identify and better understand the potential and limitations of using ANSWT models for numerical site effect estimation. This study allows us to propose perspectives for future work to improve the approach, which remains promising for site effect assessment in low- to moderate-seismicity contexts.
Dans les bassins sédimentaires, le mouvement du sol suite à un séisme peut être amplifié selon les conditions locales de site. L’estimation de ces effets de site est importante pour l’évaluation correcte et précise de l’aléa sismique, mais est souvent rendue difficile à faire expérimentalement du fait du peu de données disponibles sur un site spécifique, surtout dans des régions de sismicité faible à modérée où les séismes nécessaires à la mesure de ces effets de site ont des longues périodes de retour. Dans cette étude, nous explorons une approche alternative aux méthodes classiques d’estimation des effets de site, en proposant de baser cette estimation sur des données de bruit sismique ambiant et sur des simulations numériques. Plus précisément, nous proposons d’utiliser des méthodes d’imagerie passive, en particulier la tomographie d’ondes de surface extraites du bruit sismique (Ambient Noise Surface-Wave Tomography, ANSWT) pour construire des modèles numériques 3D des propriétés sismiques d’une zone d’étude, modèles que nous utilisons ensuite au sein de simulations numériques de propagation d’ondes pour calculer une estimation numérique d’amplification sismique dans un bassin. Nous illustrons cette approche avec un cas d’étude situé dans le bassin de Tricastin, en vallée du Rhône (France), où la crise de salinité messinienne a creusé un paléo-canyon maintenant rempli de sédiments meubles en contact avec un substratum induré, créant ainsi des conditions propices à l’émergence d’effets de site significatifs documentés par des études précédentes. Ce travail utilise deux jeux de données complémentaires. Nous utilisons d’une part des données de sismicité enregistrées par un réseau de stations large bande déployé pendant 8 mois sur la zone d’étude. Ces données de sismicité nous permettent de mesurer l’amplification sismique dans le bassin par rapport à une référence au rocher via le calcul de rapports spectraux standards (Standard Spectral Ratios, SSR) qui nous servent de points d’observation de référence pour évaluer nos résultats numériques. D’autre part, nous exploitons des enregistrements continus de bruit sismique acquis par un réseau dense de 400 capteurs autonomes 3-composantes. En amont de ce travail, ces données de bruit ont été utilisées pour construire un modèle 3D de vitesse des ondes de cisaillement (VS) par ANSWT, ainsi que pour estimer l’amplification sismique dans le bassin via des SSR basés sur le bruit sismique (noise-based SSR, SSRn). Le modèle ANSWT obtenu reproduit bien les structures géologiques attendues à grande échelle, avec des variations latérales de vitesses en profondeur correspondant aux parties profondes du bassin. Cependant, nos résultats de simulation montrent aussi que certaines limites de ce modèle liées à la sensibilité et à la capacité de résolution des ondes de surface utilisées pour l’imagerie ont un effet sur l’amplification numérique prédite dans le bassin. En particulier, ce modèle ANSWT ne comporte pas de limites franches entre le bassin et les sites au rocher affleurant en surface. Par conséquent, dans les simulations numériques effectuées dans ce modèle, les ondes sismiques ne sont pas piégées de manière efficace dans le bassin, dont les bords — ou plus précisément, le manque de bords — ne génèrent pas de diffractions significatives d’ondes de surface susceptibles de se propager latéralement dans le bassin. L’amplification sismique prédite dans le bassin reste donc dominée par une réponse 1D, et ne reproduit pas le caractère large bande de l’amplification observée en certains points du bassin, visiblement affectés par des effets de propagation 3D. En revanche, l’amplification numérique prédite dans le modèle montre un bon accord avec les observations en d’autres points du bassin, moins affectés par ces effets de propagation 3D, notamment dans des zones relativement complexes où les variations latérales de la structure du sous-sol doivent être prises en compte. Dans ces conditions, l’imagerie passive semble fournir une caractérisation satisfaisante du sous-sol à même d’expliquer l’amplification observée. Nos résultats permettent donc d’identifier et de mieux comprendre le potentiel et les limites de l’utilisation de modèles sismiques 3D construits par imagerie sismique passive pour l’estimation numérique des effets de site. Ces résultats nous amènent à proposer plusieurs perspectives d’amélioration de cette approche, qui reste prometteuse pour l’estimation des effets de site en contexte de sismicité faible à modérée.
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