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1/393 juillet 2007 Étude des éboulements rocheux par méthodes géophysiques Thèse présentée par Jacques Deparis Directeurs de thèse : Stéphane GARAMBOIS.

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1 1/393 juillet 2007 Étude des éboulements rocheux par méthodes géophysiques Thèse présentée par Jacques Deparis Directeurs de thèse : Stéphane GARAMBOIS - Denis JONGMANS

2 2/393 juillet Introduction Définition Zone de départ Dépôt Monestier de Clermont

3 3/393 juillet 2007 Introduction Daprès Frayssines (2005) Localisation Configurations typiques dinstabilités Rupture Approche géomécanique Approche historique Propagation Intensité du phénomène Modélisations mécaniques Problématique

4 4/393 juillet Introduction Pour la détection et la localisation des fractures (géométrie) Pour la caractérisation physique des fractures Pour la caractérisation physique des fractures Nature du remplissage, ouverture ?Nature du remplissage, ouverture ? Pour une classification instrumentale des éboulements Pour une analyse dynamique de la rupture-propagation Apport du Radar géologique Apport des enregistrements sismologiques ouverte (air) ponts rocheux remplissage ?

5 5/393 juillet 2007 Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Le rocher du MidiLe rocher du Midi Les gorges de la BourneLes gorges de la Bourne Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM Approche couche minceApproche couche mince Méthodologie dinversion des courbes APVO - validationMéthodologie dinversion des courbes APVO - validation Application sur des signaux acquis sur des falaisesApplication sur des signaux acquis sur des falaises Étude dynamique déboulements Étude dynamique déboulements Analogie entre les paramètres mécaniques/sismologiquesAnalogie entre les paramètres mécaniques/sismologiques Analyses dynamiques des signaux sismologiquesAnalyses dynamiques des signaux sismologiques Modélisation des sourcesModélisation des sources Conclusions & Perspectives Conclusions & Perspectives Sommaire

6 6/393 juillet 2007 Sommaire Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Le rocher du MidiLe rocher du Midi Les gorges de la BourneLes gorges de la Bourne Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM Approche couche minceApproche couche mince Méthodologie dinversion des courbes APVO - validationMéthodologie dinversion des courbes APVO - validation Application sur des signaux acquis sur des falaisesApplication sur des signaux acquis sur des falaises Étude dynamique déboulements Étude dynamique déboulements Analogie entre les paramètres mécaniques/sismologiquesAnalogie entre les paramètres mécaniques/sismologiques Analyses dynamiques des signaux sismologiquesAnalyses dynamiques des signaux sismologiques Modélisation des sourcesModélisation des sources Conclusions & Perspectives Conclusions & Perspectives

7 7/393 juillet km 0 Grenoble N 2.Imagerie de la fracturation Rocher du Midi (V=50000 m 3 ) (Deparis et al, soumis) Gorges de la Bourne (V=2000 m 3 ) (Deparis et al, Engineering geology, 2007) Les sites de mesures 50 m

8 8/393 juillet Imagerie de la fracturation 5m 0 Fracture principale F2 F1 P1 P2 Objectif Objectif Imager la continuité de la fracturationImager la continuité de la fracturation Reconnaissances Reconnaissances 2 profils réflexion2 profils réflexion 1 profil CMP (P2)1 profil CMP (P2) 2 forages destructifs (P2)2 forages destructifs (P2) Site des gorges de la Bourne

9 9/393 juillet Imagerie de la fracturation CMP : antenne 200 MHz Temps (ns) Profondeur (m) Vitesse NMO (cm/ns) Vitesse dintervalle (cm/ns) Distance Émetteur/Récepteur (m) Analyse de vitesse (CMP) Pointé des ondes directes Analyse de semblance Vitesse NMO Vitesses dintervalles (Dix, 1955) Profil de vitesse en profondeur Conversion des profils temps/profondeur

10 10/393 juillet 2007 Antenne 500 MHz Traitements Traitements Filtre passe bandeFiltre passe bande AGCAGC Correction statiqueCorrection statique Conversion temps/profondeursConversion temps/profondeurs P1P2 2.Imagerie de la fracturation Pourcentage linéaire de pont rocheux faible (8 %) Pourcentage linéaire de pont rocheux : 18 % Profils radar verticaux Route

11 11/393 juillet Imagerie de la fracturation Profondeur (m) Forage S1 (diagraphie instantanée) Trace correspondante (500 MHz) Vitesse de rotation instantanée normalisée Amplitude Validation des profils

12 12/393 juillet Imagerie de la fracturation Conclusions La combinaison entre les acquisitions Lidar, GPR et les relevés structuraux sest avérée efficace pour la reconnaissance dun site Le radar géologique permet destimer le pourcentage de ponts rocheux pour évaluer la stabilité de laléa Les vitesses des ondes EM ont pu être caractérisées à laide dacquisition CMP Les mesures ont été validées par des sondages mécaniques et par observation de la paroi après minage

13 13/393 juillet 2007 Sommaire Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Le rocher du MidiLe rocher du Midi Les gorges de la BourneLes gorges de la Bourne Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM Approche couche minceApproche couche mince Méthodologie dinversion des courbes APVO - validationMéthodologie dinversion des courbes APVO - validation Application sur des signaux acquis sur des falaisesApplication sur des signaux acquis sur des falaises Étude dynamique déboulements Étude dynamique déboulements Analogie entre les paramètres mécaniques/sismologiquesAnalogie entre les paramètres mécaniques/sismologiques Analyses dynamiques des signaux sismologiquesAnalyses dynamiques des signaux sismologiques Modélisation des sourcesModélisation des sources Conclusions & Perspectives Conclusions & Perspectives

14 14/393 juillet Caractérisation physique de la fracture Couche mince Onde EM ? d<λ f /2 Onde EM d>λ f /2 Fracture épaisse 2 ondes réfléchies distinctes 1 onde réfléchie apparente d > /2 2 réflexions (V int ) d < /2 Signal complexe = couche mince Approche de type couche mince

15 15/393 juillet Caractérisation physique de la fracture R 12 T 21 Massif (ε m ) T 12 R 21 T 21 Couche mince (ε f ) Massif (ε m ) d θiθi θrθr θmθm R = R 12 + T 12.T 21.( R 21 2n+1.e -inφ ) Première réflexion Somme des réflexions multiples avec φ = 2.d. k 2.. cos ( θ m ) k=ω.(μ.ε m ) 0.5 [nombre donde] R = f ( m, f, i d, mode dacquisition Réflexion sur une couche mince

16 16/393 juillet Caractérisation physique de la fracture Matrice : Calcaire Remplissage : Air Ouverture d (cm) Fréquence (MHz) Angle dincidence (°) Amplitude Phase (rad) Amplitude Phase (rad) Inversion de R : caractériser les propriétés des fractures ? Sensibilité du coefficient de réflexion (mode TE) d

17 17/393 juillet Caractérisation physique de la fracture Le Modèle de Jonscher (1977) décrit la dépendance fréquentielle de la permittivité effective (ε e ) pour les matériaux géologiques. Modèle à 3 paramètres réels et constants (n - r - ε ) FREQUENCE (MHz) εrεr εiεi ARGILE (Grégoire, 2001) (n=0.25, r = 30, ε =55) PERMITTIVITE ( ε) FREQUENCE (MHz) εrεr εiεi 2.5 PERMITTIVITE ( ε) AIR (n=1, r = 0, ε =1) Sensibilité fréquentielle de la permittivité

18 18/393 juillet Caractérisation physique de la fracture Signal source Diagramme de radiation Couplage antenne/massif Perte dénergie Propagation Atténuation géométrique Atténuation intrinsèque Cœfficient de réflexion Champ électrique mesuré

19 19/393 juillet Caractérisation physique de la fracture Paramètres des fractures Problème direct Signaux enregistrés E mes (,x) Problème inverse Paramètres des fractures ? RMS (%) Paramètre 2 Paramètre 1 Algorithme de voisinage (Sambridge, 1999) Méthode dinversion Algorithme dinversion

20 20/393 juillet 2007 Entrées : Signal APVO dispersif normalisé Diagramme de radiation Correction pour chaque cellule de lespace des paramètres de : Latténuation géométrique Latténuation intrinsèque Du diagramme de radiation La normalisation permet de saffranchir: Du signal source Du couplage antenne/massif 2 stratégies différentes : Corriger en amont leffet de la propagation Corriger en amont leffet de la propagation -> Sont supposées connues La permittivité du massif La permittivité du massif La profondeur de la fracture La profondeur de la fracture -> Inversion de R( i ) normalisé Pour saffranchir du signal source Pour saffranchir du signal source Validée sur des signaux synthétiques Validée sur des signaux synthétiques Prise en compte globale du champ électrique mesuré Prise en compte globale du champ électrique mesuré -> Inversion de E mes (,x) normalisé 3. Caractérisation physique de la fracture Méthodologie dinversion 1,4 1 0,6 0, Angle démission Amplitude Sorties : 8 paramètres caractérisant : Le massif (3 paramètres de Jonscher) Le matériau de remplissage (3 paramètres de Jonscher) Lépaisseur et la profondeur de la fracture

21 21/393 juillet ,6 1 1,4 0,2 0,8 1,2 0,4 0 Ouverture (m) Profondeur (m) 3,2 3,4 2,6 2,8 r,f i,f 3. Caractérisation physique de la fracture Fracture remplie dair d=44 cm z=3m r,f =1 i,f =0 FAIBLE FORT RMS Validation de lalgorithme dinversion

22 22/393 juillet Caractérisation physique de la fracture Validation de lalgorithme dinversion Algorithme validé pour : 5 matériaux différents Modes de réflectivités TE et TM Inversion conjointe des modes TE et TM /20 < d /2 FAIBLE FORT RMS r,f 1, ,6 1 1,4 0,2 0,80,4 0 Ouverture normalisée (d/ ) /3,3 /2 /10 /2,5 /5 0 Ouverture (m) Solution théorique

23 23/393 juillet Caractérisation physique de la fracture F2 F1 F3 F4 F DISTANCE (m) ? Cliff CMP Application aux données acquises en falaise Rocher du Mollard (Jeannin et al, 2006 ) Temps (ns) Distance le long de la falaise (m)

24 24/393 juillet 2007 Fréquence (MHz) Caractérisation physique de la fracture Offset (m) Fréquence (MHz) Offset (m) Signaux inversés Amplitude Phase (rad) Offset (m) Temps (ns)

25 25/393 juillet Caractérisation physique de la fracture Propriétés du remplissage Propriétés de la matrice Propriétés géométriques r,f i,f r,m Ouverture (m) Profondeur (m) Résultat de linversion Problème bien posé i,m Deparis et Garambois (soumis)

26 26/393 juillet Caractérisation physique de la fracture Confrontation données/modèle théorique Corrections : Effet de la propagation Diagramme de radiation Amplitude Phase (rad) Fréquence (MHz) Angle dincidence (m) Fréquence (MHz) Amplitude Phase (rad) Légende Données Meilleur modèle d=50 cm d=30 cm

27 27/393 juillet 2007 Linversion des CMP en fonction de la fréquence et de loffset permet de retrouver les propriétés des fractures et du milieu de propagation Bonne corrélation entre la théorie et les données La prise en compte de la sensibilité fréquentielle améliore la convergence de la solution Conclusions

28 28/393 juillet 2007 Sommaire Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Le rocher du MidiLe rocher du Midi Les gorges de la BourneLes gorges de la Bourne Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM Approche couche minceApproche couche mince Méthodologie dinversion des courbes APVO - validationMéthodologie dinversion des courbes APVO - validation Application sur des signaux acquis sur des falaisesApplication sur des signaux acquis sur des falaises Étude dynamique déboulements Étude dynamique déboulements Analogie entre les paramètres mécaniques/sismologiquesAnalogie entre les paramètres mécaniques/sismologiques Analyses dynamiques des signaux sismologiquesAnalyses dynamiques des signaux sismologiques Modélisation des sourcesModélisation des sources Conclusions & Perspectives Conclusions & Perspectives

29 29/393 juillet 2007 Étude dynamique du phénomène déboulement Les différentes phases dun éboulement

30 30/393 juillet 2007 Étude dynamique du phénomène déboulement 12 événements trouvés dans la base de donnée SISMALP de 1990 à 2004 Gamme de volume variée (2000 à 2x10 6 m3) Magnitude (M l ) variant de 0,8 à 2,8 Distance denregistrement de 10 à 300 km Les événements Présentation des signaux sismologiques Éboulement Séisme

31 31/393 juillet 20071Hz Fréquence (Hz) Amplitude (Déplacement) Magnitude locale (Richter,1935) Source profonde Contexte de la Californie Modèle empirique datténuation (Deparis et al, soumis) Source superficielle Contexte des Alpes Étude dynamique du phénomène déboulement Magnitude Durée du signal Fréquence coin A0A0 Distance (km) Durée Distance (km) Caractéristiques Sismologiques

32 32/393 juillet 2007 Étude dynamique du phénomène déboulement Analogie mécanique/sismologie Événement étudié Rapport E p /E s

33 33/393 juillet 2007 R1 h f = 170 m t f = 5,9 s Station 0G17 ( 40 km) R1 h f = 170 m t f = 5,9 s Station 0G13 ( 24 km) Étude dynamique du phénomène déboulement 5,9s Analyse des sismogrammes Détachement Impact - propagation

34 34/393 juillet 2007 Étude dynamique du phénomène déboulement R11 h f = 190 m t f 6,2 s Station OG14 ( 43 km) Composante radiale Composante tangentielle Composante verticale Temps (s) Amplitude Détachement Impact - propagation 0 20km N Analyse des sismogrammes

35 35/393 juillet 2007 Altitude (m) distance (m) Massif : Élastique V p = 5800 m/s Sol : Élastique V p = 5800 m/s Élastique V p = 1700 m/s Plastique V p = 1700 m/s y = 290 MPa Temps (s) Amplitude (m/s) Fréquence (Hz) Amplitude (m/s) Fréquence (Hz) Temps (s) Amplitude (m/s) Fréquence (Hz) Temps (s) Amplitude (m/s) Fréquence (Hz) Temps (s) Simulation numérique Étude dynamique du phénomène déboulement Massif Sol

36 36/393 juillet 2007 Conclusions Les différentes phases de l éboulement sont retrouvées sur les enregistrements Les effets non linéaires lors de limpact ont pour conséquence un faible rendement énergétique (conversion E p - E s ) La source peut être caractérisée par la première phase du signal Les corrélations montrent une analogie entre la durée du signal et lénergie potentielle La modélisation dun éboulement permet de retrouver les caractéristiques fréquentielles et les différences damplitudes observées sur les signaux

37 37/393 juillet 2007 Conclusions Imagerie de la fracturation Méthodologie dauscultation des falaises Mise en évidence de la géométrie de la fracturation Validation des données par sondages géotechniques et reconnaissances géologiques Caractérisation de la fracture par méthode inverse Validation de lapproche couche mince par modélisation numérique Développement dune méthodologie dinversion basée sur la sensibilité fréquentielle et angulaire des signaux Validation sur des signaux synthétiques et application sur deux cas détude Étude dynamique de la rupture et de la propagation Acquisition de données expérimentales à laide de capteurs larges bandes Mise en évidence de plusieurs phases sismiques Influence de la géométrie dinstabilité mise en évidence par modélisation numérique Conclusions Conclusions générales

38 38/393 juillet 2007 Évolution temporelle de la stabilité Utilisation du radar géologique Mesure de bruit de fond sismique / Émission acoustique Géométrie et propriétés physiques de la fracturation Imagerie 3D (profils Horizontal et Vertical) Utiliser linversion APVO (CMP) pour estimer localement les paramètres de la fracture et du signal source afin dappliquer linversion en mode réflexion (Jeannin, 2005) Tester la méthodologie sur des matériaux plus dispersifs Analyse dynamique de la propagation Isoler le signal source (déconvolution aveugle) Réseau sismologique large bande – large dynamique et multirisques Perspectives Perspectives

39 39/393 juillet 2007 Merci de votre attention …


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