Étude du mouvement sismique dans la vallée de Mexico à partir d’un réseau accélérométrique 3D de faible ouverture dans la colonia Roma

Abstract

La ville de Mexico est connue pour les importants effets de site observables dans son ancienne zone lacustre et dus à la présence d’une couche d’argile molle superficielle. Ces effets de site se traduisent en particulier par une amplification importante du mouvement sismique (pouvant aller jusqu’à un facteur 50 entre 0.3 et 1 Hz) entre la zone lacustre et la zone de collines. De plus, dans la zone lacustre, la durée du mouvement sismique est anormalement longue. Malgré l’installation de plus de 100 accélérographes dans la vallée de Mexico depuis le tremblement de terre de Michoacán de 1985 (M=8.1), nous ne sommes toujours pas en mesure de comprendre la relation entre l’amplification du mouvement sismique et sa longue durée. Afin d’améliorer notre compréhension du champ d’ondes observé dans la ville de Mexico, nous avons donc réalisé une analyse systématique de ses paramètres de propagation à partir d’un réseau accélérographique 3D de faible ouverture nouvellement installé dans un quartier localisé dans la zone lacustre, la colonia Roma. En 2001, 11 nouveaux accélérographes ont été installés autour d’un réseau géré par le CENAPRED et appelé “réseau Roma”. Le réseau complet (anciennes stations + nouvelles stations) forme un réseau 3D de faible ouverture (moins de 1 km), constitué de 15 stations de surface et 6 de puits, et disposant d’une base de temps absolu. Depuis son installation, ce réseau a permis d’enregistrer deux séismes : le séisme de Coyuca, dans l’état du Guerrero, le 08/10/2001 (M=6.1) et le séisme de Colima (M=7.6) du 22/01/2003. Cette thèse présente les résultats obtenus lors de l’analyse de ces deux séismes. En raison de la complexité du champ d’ondes à étudier, la première étape du travail a consisté à choisir une méthode d’analyse de données adaptée au cas de Mexico. Pour cela, trois méthodes ont été testées : la méthode fréquence-nombre d’onde (f-k) conventionnelle, la méthode f-k haute résolution, et la méthode MUSIC. Les tests ont été réalisés à partir de données synthétiques et d’enregistrements sismologiques réalisés par deux réseaux distincts : le nouveau réseau de la colonia Roma et un réseau temporaire installé en 1994 dans la zone de collines. Les tests ont démontré que la méthode f-k conventionnelle, plus robuste en cas de données peu cohérentes, était la mieux adaptée à notre cas. Afin d’estimer en détail les paramètres du champ d’ondes enregistré dans la colonia Roma, nous avons combiné plusieurs méthodes d’analyse: analyse visuelle des enregistrements, rapports spectraux, analyse temps-fréquence des données enregistrées en surface, analyse temps-fréquence basée sur une méthode de corrélation pour le jeu de données 3D, et analyse de polarisation. Les résultats ont montré la différence de comportement sismique de part et d’autre de la période de résonance du site à 2.5 s. Pour les périodes supérieures à 2.5 s, le champ d’ondes se compose d’une succession de trains d’ondes correspondants au mode fondamental d’ondes de surface venant de l’épicentre et à des ondes diffractées probablement formées au niveau de la frontière sud de l’Axe Volcanique Transmexicain. A 5 s de période, on observe une amplification régionale du mouvement sismique caractérisée par une domination des ondes de Love. Pour les périodes inférieures à 2.5 s, le mouvement sismique est gouverné par la résonance de la couche d’argile superficielle. Le champ d’ondes consiste alors en une superposition d’ondes diffractées provenant de l’Ouest de la vallée. Les résultats suggèrent une interaction constructive entre la résonance locale due à la couche d’argile molle et les modes successifs de propagation des ondes de surface guidées par la structure crustale profonde du bassin de Mexico. La Ciudad de México es conocida por la importancia de los efectos de sitio observados en su zona de lago, caracterizada por la presencia de una capa superficial de arcilla blanda. Estos efectos se traducen en particular por una amplificación importante del movimiento sísmico (hasta un factor 50 para periodos entre 0.3 y 1 Hz) entre la zona de lago y la zona de lomas. Se puede observar también una larga duración del movimiento fuerte en la zona. A pesar de la instalación de más de 100 acelerógrafos en el Valle de México después del sismo de Michoacán de 1985 (M=8.1), todavía no se ha podido entender la relación entre la amplificación del movimiento sísmico y su larga duración observada en la zona de lago. Para mejorar nuestra comprensión del campo de ondas observado en la Ciudad de México, se realizó un análisis sistemático de sus características a partir de los registros de un arreglo 3D de pequeña apertura nuevamente instalado en la colonia Roma, en la zona de lago. En 2001, se instalaron 11 nuevos acelerógrafos en la colonia Roma, alrededor del arreglo del CENAPRED conocido como “arreglo Roma”. El arreglo completo (viejas + nuevas estaciones) consiste en 15 estaciones de superficie y 6 de pozo, formando un arreglo 3D de apertura inferior a 1 km con base de tiempo absoluto. Desde su instalación, este arreglo permitió registrar dos eventos: el sismo de Coyuca del 08/10/2001 (M=6.1) ocurrido en las costas de Guerrero, y el sismo de Colima del 22/01/2003 (M=7.6). Esta tesis presenta los resultados obtenidos por el análisis de ambos sismos. Debido a la complejidad del campo de ondas a estudiar, la primera etapa del trabajo consistió en elegir el método de análisis de datos de arreglo aplicable al caso de la Ciudad de México. Para ello, probamos tres métodos distintos: el método frecuencia-número de onda (f-k) convencional, el método f-k de alta resolución y el método MUSIC sobre datos sintéticos y datos sísmicos registrados por dos arreglos diferentes, un arreglo temporal instalado en la zona de lomas en 1994 y el nuevo arreglo instalado en la colonia Roma. Las pruebas mostraron la superioridad del método f-k convencional para el análisis de nuestros datos, debido en particular a su mejor robustez en caso de datos poco coherentes. Para obtener una estimación completa de los parámetros del campo de ondas en la colonia Roma, combinamos varios métodos: análisis visual de los registros, cocientes espectrales, análisis tiempo-frecuencia de los datos de superficie por el método f-k convencional, análisis tiempo-frecuencia del juego de datos 3D mediante un método de cross-correlación, y análisis de polarización. El análisis de los registros de los sismos de Coyuca y Colima permitieron mostrar la diferencia de comportamiento sísmico para periodos inferiores y superiores al periodo de resonancia del sitio, a 2.5 s. Para los periodos superiores a 2.5 s, el campo de ondas se compone de una sucesión de trenes de ondas correspondientes al modo fundamental de ondas de superficie proveniente del epicentro y a ondas difractadas generadas probablemente al nivel de la frontera sur del Eje Volcánico Transmexicano. A 5 s de periodo, se observa una amplificación regional caracterizada por una dominación de las ondas de Love. Para los periodos inferiores a 2.5 s, la resonancia de la capa de arcilla superficial gobierna el movimiento sísmico. El campo de ondas consiste en una compleja superposición de ondas difractadas provenientes del cuadrante oeste del Valle de México. Los resultados sugieren una interacción constructiva entre la resonancia local debida a la capa de arcilla blanda y los modos sucesivos de propagación de ondas de superficie guiados por la estructura cortical profunda de la cuenca de México. The seismic motion in the lake-bed zone of Mexico City is affected by strong site effects due to the presence of a soft surficial clay layer. These site effects are, in particular, responsible for an important amplification of ground motion, which can reach a factor 50 for periods between 0.3 and 1 Hz, between the lake-bed zone and the hill zone. We also can observe a large duration of strong ground motion in this area. Despite the installation of more than 100 new digital strong motion stations in Mexico City after 1985, only little progress have been done towards understanding the relation between the amplification of ground motion in the lake-bed zone and the large duration of seismic motion. In order to improve our comprehension of the observed wavefield in Mexico City, we have realized a systematic analysis of its characteristics from the records of a small aperture 3D array installed in 2001 in the colonia Roma, in the lake-bed zone of the city. In 2001, it has been decided to install 11 new accelerometers in the colonia Roma, a district located the lake-bed zone of the city, near an existing array operated by CENAPRED and known as “the Roma array”. Together with the existing stations, these new instruments form a 3D array of small aperture (less than 1 km), with 15 surface and 6 borehole stations. Since its installation, this new array recorded the 10/08/2001 Coyuca event, Guerrero, (M=6.1) and the 01/22/2003 Colima (M=7.6) event. This thesis presents the results obtained from the analysis of both events. The application of available array processing techniques to the complex case of Mexico City could be difficult. We then have tested three methods to analyze their capacity to process the data from our new dense accelerograph array: the conventional frequency-wavenumber (f-k) method, the maximum-likelihood f-k method and the Multiple Signal Characterization technique (MUSIC). Our tests have used both synthetic signals and earthquake data from two different arrays: a temporal array installed on firm soil in Mexico City in 1994, and the new dense array of colonia Roma. The results show the superiority of the conventional f-k method, more robust than the other two methods in case of data with small coherence. To obtain a complete estimation of the parameters of the wavefield in colonia Roma, we combine different methods: visual analysis of the filtered data, spectral ratios, f-k analysis for the datasets recorded by the surface stations, cross-correlation analysis for the 3D datasets, and polarization analysis. The analysis of the two recorded events showed that the characteristics of ground motion as a function of period are different for periods larger or smaller than the site resonant period (2.5 sec). For periods longer than 2.5 sec, the wavefield is composed of successive pulses corresponding to the fundamental mode of surface waves propagating from the epicenter, and to diffracted surface waves probably generated on the southern boundary of the Mexican Volcanic Belt. At 5 s period, we observe a regional amplification characterized by a dominance of Love waves. For periods shorter than 2.5 sec, the resonance of the superficial clay layer becomes predominant. The wavefield consists in a superposition of diffracted waves propagating from the western part of the valley. The results suggest a constructive interference between the local resonance caused by the very soft superficial clay layer and different modes of surface waves guided by the deep crustal structure of the Mexico City basin