1/67 L3Pro - LPG2 - M´ ethodes sismiques Clara L´ evy, Anne Sieminski UJF - OSUG - LGIT [email protected] [email protected]
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L3Pro - LPG2 - Methodes sismiques
Clara Levy, Anne Sieminski
UJF - OSUG - LGIT
[email protected]@obs.ujf-grenoble.fr
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Vitesses sismiques
Milieu vP (m/s) vS (m/s) ρ (g/cm3)
Roche alteree 300-700 100-300 1.7-2.4
Sable sec 400-1200 100-500 1.5-1.7
Sable humide 1500-4000 100-500 1.9-2.1
Argiles 1100-2500 200-800 2.0-2.4
Marnes 2000-3000 750-1500 2.1-2.6
Gres 3000-4500 1200-2800 2.1-2.4
Calcaire 3500-6000 2000-3300 2.4-2.7
Craie 2300-2600 1100-1300 1.8-2.3
Salt 4500-5500 2500-3100 2.1-2.3
Granite 4500-6000 2500-3300 2.5-2.7
Basalte 5000-6000 2800-3400 2.7-3.1
Charbon 2200-2700 1000-1400 1.3-1.8
Eau 1450-1500 - 1
Glace 3400-3800 1700-1900 0.9
Petrole 1200-1250 - 0.6-0.9
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Vitesses sismiques
Milieu vP hors nappe (m/s) vP sous nappe (m/s)
Sable fin 300-700 1450-1700
Graves 500-900 1700-2300
Argile 500-1400 1400-1700
Marnes 1800-2100 2100-3000
Gres 800-3000 2000-4000
Craie fracturee 800-1500 1700-2300
Craie saine 1800-2500 2300-3200
Calcaire fracture 900-2000 1700-3000
Calcaire compact 3000-5000 3500-5000
Granite fracture 1000-2500 2500-4500
Granite sain 4500-5500 4500-5500
Basalte fracture 800-2500 2300-4500
Basalte sain 5500-6000 5500-6000
Schiste altere 500-2000 1700-2500
Schiste sain 2500-4500 3000-4500
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Preparation a la manip de terrain
Une interface horizontale
Onde directe
td(x) =x
v0
→ Droite de pente 1/v0 Hodochrone t(x)
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Preparation a la manip de terrain
Une interface horizontale
Onde conique
tc(x) =x
v1+ 2h0
√1
v20
− 1
v21
→ Droite de pente 1/v1 pourx ≥ xc = 2h0 tan ic
xd = 2h0
√v1 + v0
v1 − v0
Hodochrone t(x)
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Rappels des episodes precedents
Premier cours
I Principe de la methode : temps d’arrivee d’ondes sismiques“artificielles” → image des proprietes mecaniques du sous-sol(structure, nature, contraste)
I Ondes sismiques : propagation d’une deformation elastique,ondes P et S (+ “ground roll”), vitesse selon la nature de laroche, plusieurs trajets possibles entre source et recepteur
I Sismique refraction (basee sur les ondes coniques, temps deparcours suivant le rai sismique, hodochrones, quasi-directe)
Terrain (avec Mai-Linh et Clara)
I Acquisition de sismique refraction (manipulation etdeploiement du materiel, experience des difficultesd’acquisition)
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Programme du jour
Retour sur l’experience de terrain
I Explication et mise au clair du protocole experimental(notes de terrain)
I Interpretation des donnees avec le logiciel sardine
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Geometrie d’acquisition
Profils lineaires de 24 capteurs (milieu 2D sinon ?)
Plusieurs tirs/sources (stack, differents emplacements, source enonde P et S)
Longueur du profil ?
I Elle doit etre assez grande pour voir l’onde conique arriver enpremier sur la moitie du dispositif (pour les deux tirs en bout)
I De l’ordre de 6h0 (a verifier sur le terrain)
Intertrace ? (ni trop petit, ni trop grand → echantillonnage spatial)
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Distance du point de brisure
Avec qqles a priori sur le milieu,on peut estimer xb
xb = 2h0
√v1 + v0
v1 − v0
Exemple :pour h0 = 10m et v1 = 4500 m/s
v0 [m/s] 400 2000 3000
xb [m]
Conclusion : on choisira unelongueur de profil L = 2xb ' 6h0
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Visualisation
Premier tir en onde P
Stack : justification, origine du bruit, rapport signal sur bruit (SNR)
SNRN = SNR√
N avec SNR = 10 logPs
Pn
et Ps =1
t2 − t1
∫ t2
t1
|s(t)|2 dt
Pourquoi une plaque sous le marteau ?
Fonction source : forme du signal produit par la source, doit etreproche d’une impulsion pour une interpretation facile.
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Transformee de Fourier
Pour analyser le contenu frequentiel d’un signal (i.e. faire ressortirles differentes frequences que contient le signal)
Frequence (en Hz) ν = 1/T (periode en s)
TF directe (avec t le temps) :
TF [s(t)] = S(ν) =
∫ +∞
−∞s(t)e−i2πνt dt
TF inverse :
TF−1[S(ν)] = s(t) =
∫ +∞
−∞S(ν)e i2πνt dt
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Echantillonnage
Pas Te [s] et frequence νe = 1/Te [Hz] d’echantillonnage
Theoreme de Shannon-Nyquist : νe ≥ 2νmax
Filtrage anti-aliasing
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Contenu frequentiel
Le contenu frequentiel d’un signal sismique depend de la fonctionsource, de la propagation dans le sol (attenuation) et de lafrequence propre du capteur (systeme oscillant amorti)
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Contenu frequentiel
Le contenu frequentiel d’un signal sismique depend de la fonctionsource, de la propagation dans le sol (attenuation) et de lafrequence propre du capteur (systeme oscillant amorti)
Geophone Mark Products L-28 10 Hz
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Contenu frequentiel
La resolution des images (i.e. precision des images, epaisseur descouches en sismique refraction) depend du contenu frequentiel
L’onde est sensible au milieu sur une zone de taille finie controleepar la longueur d’onde λ [m] avec λ = vT (l’onde “voit” le milieuau travers de λ)
La resolution est de l’ordre de λ/4
Precision ou profondeur de penetration (les HF s’attenuent plus)
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Contenu frequentiel
Filtrage : on enleve du signal certaines frequences (anti-alisaing,rejection du 50 Hz)
Traitement du signal (TF, echantillonnage, filtrage)
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Tir aller (A)
Hodochrone de l’onde conique :
tc(x) =x
v1+
2h0
v0cos ic avec sin ic =
v0
v1
Intercept et delai sismique
Hypotheses ?
Desaccord avec les autres methodes geophysiques ?
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Decouverte de sardine
Visualisation et discussion des traces en temps et en frequence(bruit, stack)
Pointe des premieres arrivees
Trace des hodochrones, lien avec la theorie vue precedemment
Visualisation d’un tir aller uniquement
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Episodes precedents
Sismique refraction
I Principe de la methode : source controlee, temps despremieres arrivees (ondes directes et coniques), hodochrones
I Decouverte du materiel et acquisition des donnees sur leterrain
I Rappels des conditions experimentales et visualisation desdonnees (sardine)
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Programme
Sismique refraction (fin)
1. Comment choisir le capteur ? (discussion-cours)
2. Interpretation des donnees → Modele en vP et vS (TP)I Pourquoi plusieurs tirs ?I Discussion du modele final
3. A quoi ca sert ? (cours)
Dernier cours
I Autres methodes sismiques (cours) : sismique reflexion,tomographie, ondes de surface, rapport H/V
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Sismometrie
Par sa frequence propre ω0
Capteur sismique = systeme oscillant avec ω0 ∼ k , l
Resonance lorsque la frequence du signal excitant est proche de ω0
En sismometrie, on cherche la resonance ω0 ' ωsol
( 6= risque sismique !)
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Sismometrie
Le constructeur donne ω0 et la fonction instrument F (ω)
Geophone Mark Products L-28 10 Hz
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Sismometrie
Capteur = filtre F (ω) ∼ reponse du capteur en fonction de ω
F (ω) depend de ω0 et de l’amortissement h
Pourquoi amortir ? Comment obtenir F (ω) ? (calcul, calibration)
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Sismometrie
F (ω) = |F (ω)|e iφ(ω) → Le signal de sortie y(t) est decale dans letemps par rapport au signal d’entree x(t) (dephasage)
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Sismometrie
Le bon capteur est celui dont la reponse instrumentale est grandesur la bande de frequence des mouvements du sol a enregistrer...
Quelle est la bande de frequence des mouvements du sol ?
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Sources actives
Des ondes de frequences differentes selon la source
Comment retrouver le contenu frequentiel de la source ?
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Sources actives
Comment choisir la source ?
I Ce qui est possible (cout, technique, autorisation)
I Puissance (profondeur de la cible, longueur du profil)
I Precision de l’imagerie (HF pour bonne resolution et lecturedes differentes ondes, sismique reflexion, tomographie)
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Propagation
Ne pas oublier les effets de lapropagation : les ondes HF sontplus attenuees que les ondes BF
L’attenuation depend de lanature du milieu
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Sources naturelles
Microseismes (bruit oceanique et atmospherique) : 5 s < T < 20 s
Seismes tectoniques (sismologie) :
I a proche distance T ' 1 s
I a grande distance T ' 10 s - 100 s
(pourquoi different ?)
Et pour les deplacements avec T > 1000 s ?
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Capteur electromagnetique
Le signal de sortie d’un geophone est la vitesse de deplacement v(une bobine qui bouge dans un champ magnetique → courantd’induction tel que i ∼ v)
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Capteur electromagnetique
v = dudt → Le signal v(t) est plus HF que u(t)
Comment passer de v(t) a u(t) ?
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Capteur large-bande
Bcp d’electronique, systeme asservi (feedback), mesure de la forcepour ramener la masse → acceleration, plus de ω0 → large bandede frequence, mais cher et reglage delicat
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Accelerometre
Capteurs electromagnetiques regles pour supporter de fortsmouvements du sol (≤ 2g)
Pourquoi ?Comment ?
ω0 >> ωsol + fort amortissement→ zsol
(z + 2εz + ω20z = −zsol)
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En plus du capteur
Sismometre = capteur + “horloge” + amplificateur-numeriseur +stockage + alimentation
Bon couplage avec le sol, environnement calme
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Interpretation
Objectifs :
I Modele en vP et vS sous les deux profils(24 geophones, ∆x=3 m)
I Estimation des incertitudes
I Critique du resultat
Telecharger sardine :www-lgit.obs.ujf-grenoble.fr/∼sieminsa/teaching/l3pro
Quels fichiers analyser ?
Interpretation conjointe de plusieurs tirs
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Rappels
Onde directe
td(x) =x
v0
Onde conique
tc(x) =x
v1+
2h0
v0cos ic
avec sin ic =v0
v1
Hyp : une interfacehorizontale plane avec v1 > v0
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Plusieurs tirs
Tir aller (A) et tir retour (B)
I Fermeture en temps
I Pendage de l’interface
Tir centre (C)
I Confirme A et B + controle de la geometrie
Tirs lointains (O et P)
I Identification de la conique la plus profonde (toit dusubstratum ?)
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Fermeture de temps
En premier, verifier que t(xAB) = t(xBA)→ Gros problemes sinon (acquisition, pointe)
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Pendage de l’interface
Si v(A)1 6= v
(B)1 → Pendage de
l’interface
La vitesse mesuree est unevitesse apparente dependantedu pendage θ
Ondes coniques “montante” et “descendante” :
tup(x) =x
vup+ Iup tdown(x) =
x
vdown+ Idown
vup, vdown → v1, θ Iup, Idown → profondeur sous les sources
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Pendage de l’interface
Expressions completes :
tup(x) =x
vup+ Iup tdown(x) =
x
vdown+ Idown
vup =v0
sin(ic − θ)> vdown =
v0
sin(ic + θ)
Iup =2hup cos ic
v0> Idown =
2hdown cos icv0
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Pendage de l’interface
Comment retrouver v1 et θ si θ << 1 ?
1
v1' 1
2(
1
vup+
1
vdown) θ ' v1
2(
1
vup+
1
vdown)
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Plusieurs interfaces horizontales
Si plusieurs “brisures de pentes” → Plusieurs interfaces avec v ↑
Hodochrone de l’onde conique sur la neme interface :
t(n)c =
x
vn+
n−1∑i
2hi
vicos i
(in)c avec sin i
(in)c =
vi
vn
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Couche cachee et non-unicite
Info a priori sur le milieu(geologie, forage)
Combiner differentesmethodes geophysiques
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Variations laterales de vitesse
Il faut des methodes plus sophistiquees !
I Sismique refraction interpretee avec la methode plus-minus
I Sismique reflexion ?
I Tomographie sismique (3D)
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A quoi ca sert ?
A petite echelle, la sismique refraction sert a caracteriser lesous-sol avant l’implantation d’ouvrages d’art
I Geometrie et evolution du socle rocheux (vP)
I Proprietes mecaniques, etat physique des differentes couches(vP et vS)
Possibilite de detecter et caracteriser des aquiferes (vP)
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Qualite des roches et vP
Le RMQ est d’autant plus faible que la roche est fracturee, altereeet contient peu d’eau
Relation lineaire entre RMQ et vP
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Rippabilite et vp
Table Caterpillar pourtracteur D9G (390CV)avec defonceuse 9B unedent
Une roche alteree (vP faible) est plus facilement “rippable”
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Caracterisation des aquiferes
Bon contraste de vitesse sur le toit de l’aquifere (vP augmenteavec la saturation en eau) → Profondeur et geometrie de la nappe
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Qualite des sols et vS
Relation entre compaction (penetrometrie) et vS
La compaction et la fracturation sont capitales pour la stabilite dessols (glissement de terrain, liquefaction, effets de site)