Etude des régolithes planétaires : approche sismologique et expérimentale

Soutenance de thèse de Jules Marti (Salle des Thèses à l’ISAE – Sup’Aero)

Résumé de la thèse :

Le régolithe désigne la couche de milieu granulaire à la surface des planètes telluriques ou des petits corps. D’épaisseur variable (du centimètre à la dizaine de mètres), la compréhension de cet interface est un enjeu majeur dans le cadre de l’exploration des planètes et de leurs intérieurs. Dans cette thèse, nous nous intéressons au comportement acousto-élastique du régolithe selon trois approches : sismologique, numérique et expérimentale.

L’acousto-élasticité du régolithe martien est observée dans les données de la mission InSight, en réponse aux variations de température en surface. Nous avons développé une méthode quasi-automatisée et robuste au bruit, permettant d’analyser les variations saisonnières de vitesses sismiques induites par thermo-acousto-élasticité, à partir d’oscillations présentes dans le spectrogramme des données. Notre analyse, couvrant une large gamme fréquentielle (de 5 à 20~Hz), dévoilent des variations de vitesses d’une amplitude jamais observée jusqu’ici (jusqu’à 10~\%).

Selon la théorie des milieux effectifs, les vitesses sismiques dans un matériau granulaire sont liées à la pression subie par le matériau, mais aussi au nombre de coordination. Le nombre de coordination et la porosité sont mesurées dans 70 simulations (méthode des éléments discrets DEM) consistant à laisser des billes se relaxer dans un conteneur. Nous montrons que la méthode classique pour appliquer la théorie des milieux effectifs, consistant à utiliser une relation qui néglige la distribution de taille et le coefficient de friction des grains afin de déduire le nombre de coordination (inconnu expérimentalement), produit de mauvaises prédictions. Cela suggère que la dépendance du nombre de coordination et de la porosité à la distribution de taille et à la friction doit être évaluée à différents niveaux de pression afin d’améliorer les prédictions concernant la réponse acousto-élastique des milieux granulaires.

La réponse acousto-élastique peut toutefois être déterminée expérimentalement. Nous mesurons alors l’évolution des vitesses sismiques avec la distribution de taille du matériau granulaire testé, soumis à différents niveaux de pression de confinement (de 5 à 80~kPa). Pour cela, nous utilisons un dispositif de bender elements, qui permet de propager une onde sismique à travers un échantillon et de mesurer son temps de vol. Une première campagne expérimentale nous permet de démontrer que les vitesses sismiques dépendent de la distribution de taille de l’échantillon testé. Afin d’améliorer la robustesse de nos mesures, nous mettons au point un nouveau protocole se voulant le plus répétable possible. En particulier, nous prouvons la nécessité d’utiliser un signal d’entrée à bande étroite : cela permet de réduire l’incertitude sur la mesure du temps de vol de 20~\% à 1~\%. Les essais de répétabilité de la deuxième campagne d’essais démontrent une très forte variabilité d’un échantillon à l’autre (jusqu’à 10~\% sur les vitesses), alors qu’une analyse d’ensemble pointe vers une tendance globale proche des prédictions théoriques. Cela rejoint la théorie déjà établie selon laquelle chaque échantillon présente un réseau de chaînes de force unique et sur lequel se repose la propagation de l’onde sismique.

Notre travail pose les bases nécessaires à une étude fine et objective, aussi bien observationnelle, que théorique ou expérimentale de la réponse acousto-élastique des milieux granulaires. L’étude des réseaux de chaînes de force nous paraît être la prochaine étape vers une compréhension plus complète de l’acousto-élasticité des matériaux granulaires.

Composition du jury de thèse :

• Eric BEUCLER, Rapporteur, Nantes Université
• Pooneh MAGHOUL, Rapporteure, Polytechnique Montréal
• Ludovic MOREAU, Rapporteur, Institut des Sciences de la Terre
• Marie Calvet, Examinatrice, IRAP, Université Toulouse III – Paul Sabatier
• Ludovic MARGERIN, Directeur de thèse, IRAP, Université Toulouse III – Paul Sabatier
• Naomi MURDOCH, Co-directrice de thèse, ISAE-SUPAERO
• Membre invités :
  • Pierre DELAGE, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées
  • Dylan MIKESELL, Norwegian Geotechnical Institute