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 80kPa). 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. |
Regolith refers to the granular medium layer on the surface of terrestrial planets or small bodies. With a variable thickness (from centimeters to tens of meters), understanding this interface is a major challenge in planetary exploration and the study of their interiors. In this thesis, we focus on the acousto-elastic behavior of regolith through three approaches: seismological, numerical, and experimental.
The acousto-elasticity of Martian regolith is observed in the data from the InSight mission, in response to surface temperature variations. We developed a quasi-automated method, robust against noise, to analyze the seasonal variations in seismic velocities induced by thermo-acousto-elasticity, based on oscillations present in the data's spectrogram. Our analysis, spanning a wide frequency range (from 5 to 20 Hz), reveals velocity variations of unprecedented amplitude (up to 10%).
According to effective medium theory, seismic velocities in a granular material are related to the pressure experienced by the material, as well as the coordination number. Coordination number and porosity are measured in 70 simulations (using the Discrete Element Method, DEM), in which spheres are allowed to settle in a container. We show that the classical method for applying effective medium theory, which involves using a relation that neglects the size distribution and the friction coefficient of the grains to deduce the coordination number (experimentally unknown), produces poor predictions. This suggests that the dependence of coordination number and porosity on size distribution and friction must be evaluated at different pressure levels to improve predictions about the acousto-elastic response of granular media.
However, the acousto-elastic response can also be determined experimentally. We measure the evolution of seismic velocities with the size distribution of the tested granular material, subjected to different levels of confining pressure (from 5 to 80 kPa). To do this, we use a bender elements device, which allows the propagation of a seismic wave through a sample and measures its travel time. A first experimental campaign demonstrates that seismic velocities depend on the size distribution of the tested sample. To improve the robustness of our measurements, we develop a new protocol aimed at being as repeatable as possible. In particular, we demonstrate the necessity of using a narrow-band input signal, which reduces the uncertainty in the travel time measurement from 20% to 1%. Repeatability tests from the second experimental campaign show a very high variability between samples (up to 10% in velocities), while a collective analysis points to an overall trend close to theoretical predictions. This aligns with the established theory that each sample has a unique network of force chains, which supports the propagation of the seismic wave.
Our work lays the necessary foundations for a detailed and objective study—whether observational, theoretical, or experimental—of the acousto-elastic response of granular media. We believe that the study of force chain networks is the next step toward a more complete understanding of the acousto-elasticity of granular materials. |