Étude des éboulements rocheux par méthodes géophysiques Thèse présentée par Jacques Deparis Directeurs de thèse : Stéphane GARAMBOIS - Denis JONGMANS 3 juillet 2007

Définition Zone de départ Dépôt Monestier de Clermont 1. Introduction 3 juillet 2007

Problématique Localisation Rupture Propagation Introduction Problématique Localisation Configurations typiques d’instabilités Rupture Approche géomécanique Approche historique Propagation Intensité du phénomène Modélisations mécaniques D’après Frayssines (2005) 3 juillet 2007

Apport du Radar géologique Apport des enregistrements sismologiques 1.Introduction Apport du Radar géologique Pour la détection et la localisation des fractures (géométrie) Pour la caractérisation physique des fractures Nature du remplissage, ouverture ? ouverte (air) ponts rocheux remplissage ? Apport des enregistrements sismologiques Pour une classification instrumentale des éboulements Pour une analyse dynamique de la rupture-propagation 3 juillet 2007

Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Sommaire Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Le rocher du Midi Les gorges de la Bourne Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM Approche couche mince Méthodologie d’inversion des courbes APVO - validation Application sur des signaux acquis sur des falaises Étude dynamique d’éboulements Analogie entre les paramètres mécaniques/sismologiques Analyses dynamiques des signaux sismologiques Modélisation des sources Conclusions & Perspectives 3 juillet 2007

Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Sommaire Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Le rocher du Midi Les gorges de la Bourne Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM Approche couche mince Méthodologie d’inversion des courbes APVO - validation Application sur des signaux acquis sur des falaises Étude dynamique d’éboulements Analogie entre les paramètres mécaniques/sismologiques Analyses dynamiques des signaux sismologiques Modélisation des sources Conclusions & Perspectives 3 juillet 2007

2.Imagerie de la fracturation Les sites de mesures Rocher du Midi (V=50000 m3) (Deparis et al, soumis) Gorges de la Bourne (V=2000 m3) (Deparis et al, Engineering geology, 2007) 50 m 5 km Grenoble N 3 juillet 2007

2.Imagerie de la fracturation Site des gorges de la Bourne P2 Fracture principale P1 F1 Objectif Imager la continuité de la fracturation Reconnaissances 2 profils réflexion 1 profil CMP (P2) 2 forages destructifs (P2) 5m F2 3 juillet 2007

2.Imagerie de la fracturation Analyse de vitesse (CMP) CMP : antenne 200 MHz Pointé des ondes directes Analyse de semblance Vitesse NMO Vitesses d’intervalles (Dix, 1955) Profil de vitesse en profondeur Conversion des profils temps/profondeur Temps (ns) Distance Émetteur/Récepteur (m) Vitesse NMO (cm/ns) Vitesse d’intervalle (cm/ns) Temps (ns) Profondeur (m) 3 juillet 2007

2.Imagerie de la fracturation Profils radar verticaux P1 P2 Antenne 500 MHz Traitements Filtre passe bande AGC Correction statique Conversion temps/profondeurs Pourcentage linéaire de pont rocheux : 18 % Pourcentage linéaire de pont rocheux faible (8 %) Route Route 3 juillet 2007

2.Imagerie de la fracturation Validation des profils Forage S1 (diagraphie instantanée) Trace correspondante (500 MHz) Profondeur (m) Vitesse de rotation instantanée normalisée Amplitude 3 juillet 2007

2.Imagerie de la fracturation Conclusions La combinaison entre les acquisitions Lidar, GPR et les relevés structuraux s’est avérée efficace pour la reconnaissance d’un site Le radar géologique permet d’estimer le pourcentage de ponts rocheux pour évaluer la stabilité de l’aléa Les vitesses des ondes EM ont pu être caractérisées à l’aide d’acquisition CMP Les mesures ont été validées par des sondages mécaniques et par observation de la paroi après minage 3 juillet 2007

Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Sommaire Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Le rocher du Midi Les gorges de la Bourne Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM Approche couche mince Méthodologie d’inversion des courbes APVO - validation Application sur des signaux acquis sur des falaises Étude dynamique d’éboulements Analogie entre les paramètres mécaniques/sismologiques Analyses dynamiques des signaux sismologiques Modélisation des sources Conclusions & Perspectives 3 juillet 2007

3. Caractérisation physique de la fracture Approche de type couche mince d > l/2 2 réflexions (Vint) d < l/2 Signal complexe = couche mince Fracture épaisse Couche mince d>λf/2 d<λf/2 ? Onde EM Onde EM 2 ondes réfléchies distinctes 1 onde réfléchie apparente 3 juillet 2007

3. Caractérisation physique de la fracture Réflexion sur une couche mince R12 T21 T21 R = R12 + T12.T21.( ∑R212n+1.e-inφ ) Première réflexion Somme des réflexions multiples θi θr Massif (εm) R21 T12 R21 Couche mince (εf) θm d R21 avec φ=2.d.k2..cos(θm) k=ω.(μ.εm)0.5 [nombre d’onde] Massif (εm) T21 T21 R = f (em , ef , w , i , d , mode d’acquisition) 3 juillet 2007

3. Caractérisation physique de la fracture Sensibilité du coefficient de réflexion (mode TE) Amplitude Amplitude Ouverture d (cm) Fréquence (MHz) Angle d’incidence (°) 50 20 10 Phase (rad) Phase (rad) 5 1 Fréquence (MHz) Angle d’incidence (°) Matrice : Calcaire Remplissage : Air Inversion de R : caractériser les propriétés des fractures ? d 3 juillet 2007

3. Caractérisation physique de la fracture Sensibilité fréquentielle de la permittivité Le Modèle de Jonscher (1977) décrit la dépendance fréquentielle de la permittivité effective (εe ) pour les matériaux géologiques. Modèle à 3 paramètres réels et constants (n - r - ε) 0.5 1.5 500 1000 1500 2000 1 2 FREQUENCE (MHz) εr εi 2.5 PERMITTIVITE (ε) AIR (n=1 , r = 0 , ε=1) 500 1000 1500 2000 20 40 60 80 100 FREQUENCE (MHz) εr εi ARGILE (Grégoire, 2001) (n=0.25 , r= 30 , ε=55) PERMITTIVITE (ε) 3 juillet 2007

3. Caractérisation physique de la fracture Champ électrique mesuré Signal source Diagramme de radiation Couplage antenne/massif Perte d’énergie Propagation Atténuation géométrique Atténuation intrinsèque Cœfficient de réflexion 3 juillet 2007

3. Caractérisation physique de la fracture Algorithme d’inversion Paramètres des fractures Problème direct Signaux enregistrés Emes(w,x) Problème inverse Paramètres des fractures ? RMS (%) 0.1 1 10 100 Paramètre 2 Paramètre 1 Algorithme de voisinage (Sambridge, 1999) Méthode d’inversion 3 juillet 2007

3. Caractérisation physique de la fracture Méthodologie d’inversion Entrées : Signal APVO dispersif normalisé Diagramme de radiation 2 stratégies différentes : Corriger en amont l’effet de la propagation -> Sont supposées connues La permittivité du massif La profondeur de la fracture -> Inversion de R(qi) normalisé Pour s’affranchir du signal source Validée sur des signaux synthétiques Prise en compte globale du champ électrique mesuré -> Inversion de Emes(w,x) normalisé Correction pour chaque cellule de l’espace des paramètres de : L’atténuation géométrique L’atténuation intrinsèque Du diagramme de radiation La normalisation permet de s’affranchir: Du signal source Du couplage antenne/massif 1,4 1 0,6 0,2 20 40 60 80 Angle d’émission Amplitude Sorties : 8 paramètres caractérisant : Le massif (3 paramètres de Jonscher) Le matériau de remplissage (3 paramètres de Jonscher) L’épaisseur et la profondeur de la fracture 3 juillet 2007

3. Caractérisation physique de la fracture Validation de l’algorithme d’inversion Fracture remplie d’air d=44 cm z=3m er,f=1 ei,f=0 er,f 50 20 40 10 30 ei,f 3,4 FAIBLE FORT RMS 3,2 3 Profondeur (m) 2,8 2,6 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Ouverture (m) 3 juillet 2007

3. Caractérisation physique de la fracture Validation de l’algorithme d’inversion Ouverture normalisée (d/l) l/10 l/5 l/3,3 l/2,5 l/2 50 Algorithme validé pour : 5 matériaux différents Modes de réflectivités TE et TM Inversion conjointe des modes TE et TM l/20 < d ≤ l/2 40 30 er,f 20 10 Solution théorique 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Ouverture (m) FAIBLE FORT RMS 3 juillet 2007

3. Caractérisation physique de la fracture Application aux données acquises en falaise CMP Distance le long de la falaise (m) Rocher du Mollard (Jeannin et al, 2006) F2 F1 F3 F4 F5 12 9 6 3 DISTANCE (m) ? Cliff Temps (ns) 3 juillet 2007

3. Caractérisation physique de la fracture Signaux inversés Amplitude Fréquence (MHz) 2 4 6 8 10 180 160 140 120 100 2 4 6 8 10 180 160 140 120 100 Offset (m) Offset (m) Phase (rad) Temps (ns) 2 4 6 8 10 180 160 140 120 100 2 4 6 8 10 180 160 140 120 100 Fréquence (MHz) Offset (m) 3 juillet 2007

3. Caractérisation physique de la fracture Résultat de l’inversion Propriétés du remplissage Propriétés de la matrice Propriétés géométriques ei,f ei,m Profondeur (m) er,f er,m Ouverture (m) Deparis et Garambois (soumis) Problème bien posé 3 juillet 2007

3. Caractérisation physique de la fracture Confrontation données/modèle théorique Corrections : Effet de la propagation Diagramme de radiation Amplitude Phase (rad) Fréquence (MHz) Angle d’incidence (m) Légende Données Meilleur modèle d=50 cm d=30 cm 3 juillet 2007

Conclusions L’inversion des CMP en fonction de la fréquence et de l’offset 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 3 juillet 2007

Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Sommaire Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques Le rocher du Midi Les gorges de la Bourne Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM Approche couche mince Méthodologie d’inversion des courbes APVO - validation Application sur des signaux acquis sur des falaises Étude dynamique d’éboulements Analogie entre les paramètres mécaniques/sismologiques Analyses dynamiques des signaux sismologiques Modélisation des sources Conclusions & Perspectives 3 juillet 2007

Étude dynamique du phénomène d’éboulement Les différentes phases d’un éboulement 3 juillet 2007

Étude dynamique du phénomène d’éboulement Présentation des signaux sismologiques Les événements Éboulement 12 événements trouvés dans la base de donnée SISMALP de 1990 à 2004 Gamme de volume variée (2000 à 2x106 m3) Magnitude (Ml) variant de 0,8 à 2,8 Distance d’enregistrement de 10 à 300 km Séisme 3 juillet 2007

Étude dynamique du phénomène d’éboulement Caractéristiques Sismologiques Magnitude Durée du signal Fréquence coin 1Hz 10-1 Magnitude locale (Richter,1935) Source profonde Contexte de la Californie Modèle empirique d’atténuation (Deparis et al, soumis) Source superficielle Contexte des Alpes 20 80 40 30 10 Durée Distance (km) 101 102 103 104 40 10 1 Fréquence (Hz) Amplitude (Déplacement) 10-2 A0 10-3 10-4 50 200 Distance (km) 3 juillet 2007

Étude dynamique du phénomène d’éboulement Analogie mécanique/sismologie Événement étudié Rapport Ep/Es 3 juillet 2007

Étude dynamique du phénomène d’éboulement Analyse des sismogrammes R1 hf = 170 m tf = ≈ 5,9 s Station 0G17 (≈ 40 km) R1 hf = 170 m tf = ≈ 5,9 s Station 0G13 (≈ 24 km) Détachement Impact - propagation 5,9s 3 juillet 2007

Étude dynamique du phénomène d’éboulement Analyse des sismogrammes R11 hf = 190 m tf ≈ 6,2 s Station OG14 (≈ 43 km) Détachement Impact - propagation Amplitude Temps (s) Composante verticale Composante verticale Composante radiale N 20km Composante radiale Composante tangentielle Composante tangentielle 3 juillet 2007

Simulation numérique Étude dynamique du phénomène d’éboulement Massif : Élastique Vp = 5800 m/s Sol : Élastique Vp = 5800 m/s Élastique Vp = 1700 m/s Plastique Vp = 1700 m/s sy = 290 MPa Altitude (m) distance (m) Massif Sol Amplitude (m/s) Fréquence (Hz) Temps (s) Temps (s) Amplitude (m/s) Fréquence (Hz) Amplitude (m/s) Fréquence (Hz) Temps (s) Amplitude (m/s) Fréquence (Hz) Temps (s) 3 juillet 2007

Conclusions Les différentes phases de l ’éboulement sont retrouvées sur les enregistrements Les effets non linéaires lors de l’impact ont pour conséquence un faible rendement énergétique (conversion Ep - Es) La source peut être caractérisée par la première phase du signal Les corrélations montrent une analogie entre la durée du signal et l’énergie potentielle La modélisation d’un éboulement permet de retrouver les caractéristiques fréquentielles et les différences d’amplitudes observées sur les signaux 3 juillet 2007

Conclusions générales Imagerie de la fracturation Méthodologie d’auscultation 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 l’approche couche mince par modélisation numérique Développement d’une méthodologie d’inversion basée sur la sensibilité fréquentielle et angulaire des signaux Validation sur des signaux synthétiques et application sur deux cas d’étude Étude dynamique de la rupture et de la propagation Acquisition de données expérimentales à l’aide de capteurs larges bandes Mise en évidence de plusieurs phases sismiques Influence de la géométrie d’instabilité mise en évidence par modélisation numérique 3 juillet 2007

Perspectives 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 l’inversion APVO (CMP) pour estimer localement les paramètres de la fracture et du signal source afin d’appliquer l’inversion 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 3 juillet 2007

Merci de votre attention … 3 juillet 2007