Sismique réfraction

Introduction  Repérer les interfaces géologiques  Surfaces de séparation de milieux de natures différentes  Paramètres déterminés: Géométrie des interfaces Vitesse de propagation et atténuation des ondes sismiques dans ces milieux  Contraintes propres aux modèles géophysiques 2

Sismique réflexion  Une source émet des ondes élastiques qui pénètrent dans le sol, s’y propoagent et se réfléchissent sur les interfaces séparant les milieux où les vitesses des ondes varient  Signaux réfléchis  vitesses des ondes et géométrie de ces milieux  La connaissance de la vitesse de propagation de l’onde sismique et le temps de parcours source-récepteur permet de calculer la profondeur du miroir (discontinuité de vitesse et autres paramètres physiques) 3

a- Cas d’un simple réflecteur horizontal Sismique réflexion a- Cas d’un simple réflecteur horizontal  V: vitesse des ondes P  Source en E émet des ondes enregistrées par un capteur en S à une distance x de E (offset ou offset distance) Géométrie des rais de la réflexion sur un miroir 4

b- Cas de plusieurs niveaux horizontaux Sismique réflexion b- Cas de plusieurs niveaux horizontaux Géométrie des rais de la réflexion sur plusieurs miroirs 5

c- Cas de réflecteurs inclinés Sismique réflexion c- Cas de réflecteurs inclinés  Source E et 2 capteurs A et B  Les rais émis de E se réfléchissent sur une interface inclinée de pendage  Géométrie des rais de la réflexion sur plusieurs miroirs 6

Sismique réflexion à terre et en mer a- Les dispositifs géométriques  Dispositif de sismique réflexion comprend : Une source Des récepteurs Un ensemble destiné à amplifier les signaux, les traiter et les enregistrer  Géométrie des dispositifs dépendante du pb à traiter, suivant la distance horizontale source-capteur): Sismique verticale (distance constante) Sismique grand angle (distance + grande et variable) 7

Sismique réflexion à terre et en mer b- La chaine sismique  Trois parties : La source sismique Les capteurs Le labo d’enregistrement sur le terrain avec ses pré-traitements Le labo des traitements ultérieurs 8

Sismique réflexion à terre et en mer b- La chaine sismique  Trois parties : La source sismique A terre En mer -Explosifs Appareils à décharge électrique (étinceleurs) -Canons (air, eau, vapeur) -Sources à implosions -Explosif dans des forages à qq m de pfd -Sources par vibrateur (camion à plaque vibrante) 9

Sismique réflexion à terre et en mer b- La chaine sismique  Trois parties : La source sismique Principe de la vibrosismique 4 camions vibrateurs en batterie qui émettent en phase un signal varie entre 10 et 70 Hz pendant 10 s (d’après Larvergne, 1986) 10

Sismique réflexion à terre et en mer b- La chaine sismique  Trois parties : La source sismique Sources sismiques utilisées en mer 11

Sismique réflexion à terre et en mer b- La chaine sismique  Trois parties : La source sismique Les capteurs  Transforment l’énergie sismique en voltage électrique A terre -Géophones Capteurs électromagnétiques à bobine mobile 12

Sismique réflexion à terre et en mer b- La chaine sismique  Trois parties : La source sismique Les capteurs  Transforment l’énergie sismique en voltage électrique En mer -Hydrophones Transforment les variations de pression dans l’eau en une tensionélectrique (réponse piézo-électrique)  Dispositif de flûte sismique 13

Sismique réflexion à terre et en mer b- La chaine sismique  Trois parties : La source sismique Les capteurs La flûte en sismique marine Tuyau contenant des éléments actifs, contenant les hydrophones et des éléments neutres, ou une suite d’éléments actifs (d’après Larvergne, 1986) 14

Sismique réflexion à terre et en mer b- La chaine sismique  Trois parties : La source sismique Les capteurs Le labo d’enregistrement sur le terrain avec ses pré-traitements  Enregistrement numérique  La fz d’échantillonage doit être au moins 2x >que la + haute fz du signal à conserver (fz de Nyquist) Sismique profonde classique: pas d’échantillonnage de 4 ms Sismique haute résolution: 1 à 2 ms 15

Sismique réflexion à terre et en mer b- La chaine sismique  Trois parties : La source sismique Les capteurs Le labo d’enregistrement sur le terrain avec ses pré-traitements Le labo des traitements ultérieurs  Les filtrages, utilisés en plusieurs points de la chaîne d’enregistrement, 3 types principaux: Filtrages dans le domaine spectral Filtrages dans le domaine temporel Filtrages dans le domaine spatial ou en nombre d’onde 16

Sismique réflexion à terre et en mer c- La couverture multiple  But: atténuer les multiples ainsi que le bruit de fond et renforcer les arrivées réfléchies  Dispositif simple: flûte enregistreuse 6 éléments distants d’un pas constant  Technique de couverture multiple: sommer les traces 1, 3, 5 et 2, 4, 6 17

Sismique réflexion à terre et en mer d- Le traitement  Objectif constant: amélioration du rapport signal/bruit  Tout ce qui ne correspond pas au signal sismique et à ses réflexions sur différents miroirs peut être considéré comme du bruit  Bruits perturbateurs: Bruits naturels et industriels (même en l’absence de tirs, désorganisés) Bruits provoqués (engendrés par la source sismique, discontinuités du sous-sol  hyperboles)  En sismique marine, se distinguent les bruits incohérents (atténués selon le degré de couverture multiple) des bruits cohérents (éliminés car on connait leur temps de propagation et leur structure) 18

Sismique réflexion à terre et en mer d- Le traitement  Différentes opérations post campagne: Corrections statiques et dynamiques Statiques  Corriger les anomalies de temps de parcours dues aux différences d’altitude des géophones ainsi que des variations de vitesses superficielles Dynamiques  correspondent aux trajets différents des rais réfléchis sur le même PCR dans un dispo de couverture multiple. Avant sommation des traces, corriger les temps de parcours de ces écarts de temps Mixage et composition  Réduire l’amplitude des bruits incohérents Migration Replacer les réflexions inclinées en bonne position par rapport au point milieu de la section Méthode de sommation le long des hyperboles de diffraction 19

Sismique réflexion à terre et en mer d- Le traitement Migration Replacer les réflexions inclinées en bonne position par rapport au point milieu de la section Méthode de sommation le long des hyperboles de diffraction 20

Sismique réfraction  On distingue: la sismique monotrace, dite sismique verticale, sert à reconnaitre une région pour avoir une 1ère idée sur les structures géologiques la sismique grand angle, qui permet d’avoir une couverture multiple, avec une série de traitement qui permet d’avoir une bonne résolution des données et une bonne pénétration 21

Sismique réfraction  Autres méthodes: la simique par transmission (prospection minière, propriétés accoustiques des terrains situés en tre deux galeries de mine ou deux puits)  Tire en surface et enregistrement le long d’un puits à toute profondeur les profils sismiques verticaux permettant de faire une tomographie des terrains autour d’un puits  La sismique 3D  La sismique 4D 22

Sismique réfraction ≠ Sismique réflexion: Sismique réfraction: méthode sismique de base pour les reconnaissances à très grande profondeur, qui met en jeu des moyens et des investissements incomparablement plus importants Sismique réfraction: méthode adaptée aux reconnaissances à faible et moyenne profondeur (200 m maximum) ≠ Vocation principale : reconnaissance des massifs rocheux dans le cadre des projets d’implantation d’ouvrages d’art : a) recherche et suivi de l’évolution de la position du substratum sous une couverture meuble b) caractérisation de l’état physique des diverses zones du massif rocheux par la connaissance des vitesses sismiques de chacune de ces zones. L’application la plus courante est l’analyse des propriétés mécaniques des massifs préalablement à l’édification des grands ouvrages de travaux publics (barrages, grands travaux …). Egalement utilisée en association avec d'autres techniques dans le cadre de la reconnaissance d'aquifères, de la caractérisation de la rippabilité des terrains ou de recherche indirecte de matériaux. 23

Sismique réfraction ≠ Sismique réflexion: Sismique réfraction: méthode sismique de base pour les reconnaissances à très grande profondeur, qui met en jeu des moyens et des investissements incomparablement plus importants Sismique réfraction: méthode adaptée aux reconnaissances à faible et moyenne profondeur (200 m maximum) ≠ Vocation principale : reconnaissance des massifs rocheux dans le cadre des projets d’implantation d’ouvrages d’art : a) recherche et suivi de l’évolution de la position du substratum sous une couverture meuble b) caractérisation de l’état physique des diverses zones du massif rocheux par la connaissance des vitesses sismiques de chacune de ces zones. L’application la plus courante est l’analyse des propriétés mécaniques des massifs préalablement à l’édification des grands ouvrages de travaux publics (barrages, grands travaux …). Egalement utilisée en association avec d'autres techniques dans le cadre de la reconnaissance d'aquifères, de la caractérisation de la rippabilité des terrains ou de recherche indirecte de matériaux. 24

Sismique réfraction  Principe - Mesure du temps de propagation des ondes réfractées a l’interface de milieux géologiques - Plusieurs types d’onde dont les ondes de compression P et de cisaillement S  La sismique réfraction étudie la première arrivée d’onde a savoir les ondes P et plus précisément les ondes réfractées avec un angle critique de 90° appelées ondes coniques. Calcul de la vitesse de ces ondes dans le milieu traverse  Caractérisation du milieu et géométrie de l'interface 25

Sismique réfraction  Principe - Mesure du temps de propagation des ondes réfractées a l’interface de milieux géologiques - Plusieurs types d’onde dont les ondes de compression P et de cisaillement S  La sismique réfraction étudie la première arrivée d’onde a savoir les ondes P et plus précisément les ondes réfractées avec un angle critique de 90° appelées ondes coniques. Calcul de la vitesse de ces ondes dans le milieu traverse  Caractérisation du milieu et géométrie de l'interface  Théorie Loi de Snell-Descartes Les ondes coniques sont observées lorsque i2 =90° (angle critique noté ic,V2 > V1) sin(i 1)/V1 = sin(i2)/V2 + la vitesse dans ces deux milieux sont proches, + ic est élevé +l’arrivée des 1ères ondes coniques est éloignée de la source  Nécessaire de mettre en place de longs dispositifs. 26

a- Cas de couches parallèles Sismique réfraction  C’est la sismique des ondes coniques  Pb direct d’une géométrie imposée pour en déduire l’hodochrone correspondante a- Cas de couches parallèles  A= point de tir; B= point de réception  Milieu composé de couches successives d’épaisseur et de vitesse indexées h1, V1; h2, V2  Le rai sismique qui nous intéresse suit le trajet ACDB  Ordonnée à l’origine = intercept, si l’on connaît V1, V2 et elle permet de calculer la profondeur h1 du marqueur horizontal 27

b- Cas des interfaces inclinés Sismique réfraction b- Cas des interfaces inclinés  L’inclinaison d’une interface introduit un paramètre supplémentaire, son pendage 28

Sismique réfraction  Corrections des données brutes Plusieurs types de corrections sont nécessaires pour affiner les données brutes. Correction d'altitude Fonction de la topographie: émetteurs et récepteurs peuvent se situer a des altitudes différentes. Un niveau de référence doit être choisi. Le temps que met l'onde pour passer d'un niveau a l'autre devra être ajouté. 2) Correction de couche altérée Elle permet de corriger les valeurs de la couche de surface.  Nécessaire de mesurer l’épaisseur et la vitesse des ondes dans ce milieu afin d'obtenir des données plus réalistes. 29

Sismique réfraction  Capacités et limites de la méthode Méthode est peu couteuse, non destructive, rapide a mettre en place Limatations: En cas d’interposition d’une couche a forte vitesse, il est nécessaire d’allonger le dispositif. Pour observer une interface, la vitesse de propagation doit augmenter avec la profondeur. Si une couche a vitesse rapide et peu épaisse se situe entre des couches a faible vitesse, on ne parvient pas a détecter une ou plusieurs couches Il faut alors regarder les arrivées secondaires - Si une couche a forte vitesse est présente en surface, les ondes réfractées ne peuvent pas la traverser et ne sont pas mesurables On peut alors dégager cette couche en creusant un trou ou utiliser de plus grandes longueurs d’onde. Si la longueur d’onde est supérieure à l’épaisseur de la couche se surface, celle-ci est alors ‘transparente’ et l’onde peut se propager en profondeur. 30

Sismique réfraction à terre et en mer A terre -Dispositif composé d’une série de géophones disposés en ligne -Tirs successifs au centre et aux extrémités de cette ligne hodochrones directes et inverses Support mobile avec 96 géophones espacés de 10 cm 31

Sismique réfraction à terre et en mer -Utilisation soit d’un OBS soit d’une bouée flottante reliée au bateau par radio -OA - AB – BO, remontée de l’OBS -Profils directs et inverses sur AB nécessaires à la résolution des pendages des interfaces rencontrées 32

Sismique réfraction à terre et en mer A terre En mer -Utilisation soit d’un OBS soit d’une bouée flottante reliée au bateau par radio -OA - AB – BO, remontée de l’OBS -Profils directs et inverses sur AB nécessaires à la résolution des pendages des interfaces rencontrées -Dispositif composé d’une série de géophones disposés en ligne -Tirs successifs au centre et aux extrémités de cette ligne hodochrones directes et inverses  La distance source-récepteur est connue grâce à l’enregistrement de l’onde directe  Pb: niveau à moindre vitesse (couche d’eau) qui piège l’onde directe  utilisation des multiples réfléchis sur le fond et en surface  calculs lourds & accumulation d’erreurs sur la distance (utilisation du positionnement GPS moderne permet de s’affranchir de ces contraintes) 33

Sismique réfraction - application Appareil de mesure  DAQLINK (société SEISMIC SOURCE aux Etats Unis ): système d'acquisition sismique miniature, compact, et polyvalent de 6, 12 ou 24 canaux, adapté à toutes les études sismiques  Convient à toutes les mesures de sismique, réfraction, réflexion, ondes de surface, mesures de vibrations Convertisseur 24 bits et dispose d'une large bande passante allant de DC à 15 KHz Plusieurs modes de déclenchement sont possibles : switch, géophone, évènement sismique, GPS Utilisable de façon autonome grâce à sa carte flash (32 GB) qui permet un stockage interne des données Intègre une fonction de tests de géophones Communication avec le DAQLINK par Ethernet, à 100 Mbit Piloté par un ordinateur externe et fonctionne avec le programme de pilotage VSCOPE Les données sont exportées en SEG2 ou SEGY 34

Sismique réfraction - application Appareil de mesure 35

Sismique réfraction - application Méthode basée sur l’arrivée des ondes coniques provenant des marqueurs du sous-sol (interfaces entre couches de vitesses différentes) Permet de connaitre les vitesses de propagation des ondes P envoyées dans le sous-sol et de connaitre la géométrie des interfaces (épaisseur et pendage des couches) par le traitement des dromochroniques (si la géométrie reste suffisamment simple) Nb de tirs dépendant de l’homogénéité supposée du sous-sol, la précision demandée et la qualité du signal à l’examen visuel  Si présence de nombreuses et rapides variations latérales de faciès: tirs intermédiaires de part et d’autre du centre du dispositif  Tirs« offset » implantés à une distance telle que la propagation enregistrée sur la totalité des capteurs du dispositif corresponde à une réfraction totale sur le substratum sismique. Dans l'hypothèse d'un objectif ayant peu ou pas de pendage, si la longueur du dispositif est bien ajustée, on positionne ces points de tir lointains à une distance égale à la demi-longueur de ce dispositif. 36

Sismique réfraction - application La cave sismique des Cézeaux Dispositifs: 24 géophones espacés de 2 m (DAQLINK au centre du profil)  Choix du dispo dépendant de la profondeur de la source recherchée et des contrastes de vitesse entre les différents horizons sismiques 37

Sismique réfraction - application La cave sismique des Cézeaux Tirs: Central, médian, direct et inverse (extrémités), offset (en général ½ de la longueur du dispo) Déclencheur relié au système d’acquisition source utilisant des BF (5, 10, 50 Hz), les HF s’atténuant trop vite Ondes enregistrées par la chute d’une masse sur une plaque en résine 38

Sismique réfraction - application Traitement des données: VScope Pointée des premières arrivées Menu Edit Picker 39

Sismique réfraction - application Traitement des données: VScope Numérisation du pointé avec chaque temps d’arrivée L’espacement entre géophone est rentré en bas de l’écran Calcul de la vitesse à partir du pointé et de l’espacement inter-géophone 40

Sismique réfraction - application Traitement des données: VScope 41

Sismique réfraction - application 42

Sismique réfraction - application Formulaire de traitement des données sismiques 43

Sismique réfraction - application Traitement des données: méthode des intercepts 44

Sismique réfraction - application Traitement des données: méthode des intercepts 45

Sismique réfraction - application Traitement des données: méthode des brisures 46

Sismique réfraction - application Traitement des données: méthode des brisures 47