LA SISMIQUE. Le principe. La sismique, c est ça. Méthode active Sources Capteurs

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1 Le principe LA SISMIQUE Méthodes Interprétation Applications Méthode active Sources Capteurs De l énergie en forme d ondes élastiques est produite à la source, les ondes se propagent à l intérieur de la Terre et les vibrations induites ainsi sont enregistrées par les capteurs à différentes distances. Hermann Zeyen, Université Paris-Sud La sismique, c est ça Et ça 1

2 Le principe Et ça Méthode active Sources Capteurs De l énergie en forme d ondes élastiques est produite à la source, les ondes se propagent à l intérieur de la Terre et les vibrations induites ainsi sont enregistrées par les capteurs à différentes distances. Mesure de temps d arrivée et de forme d ondes Interprétation en termes de vitesses sismiques et de propriétés mécaniques des roches Le terrain Configurations principales: Sismique réfraction Distance source-capteur grande Utilisation des premières arrivées Réfleions à grand angle Résolution des vitesses Sismique réfleion Distance source-capteur plus petite que la profondeur Utilisation des ondes réfléchies Résolution des structures Tomographie sismique Imagerie D et 3D Multiples sources et capteurs Equipement Le capteur du signal = géophone Enregistrement électromagnétique de la vitesse du mouvement du sol Le sismographe (préamplification, digitalisation, stockage) Source d énergie: Marteau Eplosif Air comprimée Vibrateur

3 Sismogrammes Onde et rai Un sismogramme est la représentation du mouvement du sol à un endroit (amplitude, vitesse ou accélération). Une section de sismogrammes montre les enregistrements d un séisme (une source) à une série de récepteurs, triés par distance. -56 Temps (ms) 51 0 Distance (m) 0 Une onde se propage dans toutes les directions. L ensemble des endroits où l onde est arrivée après un certain temps s appelle le front d onde. La façon la plus simple de décrire la propagation de l énergie est par le concept du rai sismique: la direction d un rai est à chaque endroit perpendiculaire au front d onde correspondant Loi de Snell-Descartes La propagation d un rai à travers un milieu hétérogène est décrite par la loi de Snell-Descartes: Si la vitesse sismique change, le sinus de l angle d incidence change proportionnellement à la vitesse. sin sin ( i1) = ( i ) v Courbure des rais Dans une zone de gradient de vitesse, les rais sont courbés Vers le haut en cas de gradient positif i 1 v 1 Vers le bas en cas de gradient négatif i 1 L angle d incidence est l angle entre le rai et la normale à l interface entre deu couches (c. à d., l angle entre le rai et la direction du gradient de vitesse). v >v 1 i Le rayon de courbure se calcule comme v <v 1 i v ρ = sin * () i dv dz 3

4 Angle et distance critiques Trajectoires de rais, hodochrones Si à travers une limite de couches la vitesse augmente, il eiste un angle d incidence maimal, l angle critique, à partir duquel l énergie ne peut plus traverser cette limite: sin(i c )=v 1 /v Au delà de la distance à laquelle arrive le rai critique (= distance critique), il eiste une onde qui se propage le long de l interface à la vitesse v (réfractée critique, onde conique) Cette onde arrive au début après l onde directe, mais à partir de la distance de dépassage, elle forme la première arrivée et permet de mesurer la vitesse sismique dans la deuième couche. Sismique de réfraction On interprète surtout les premières arrivées, parfois des réfleions à grand angle («sur-critiques») Formules pour une limite horizontale: t direct = t réfléchi = h1 t réfracté = 1 + v 1 v v h1 critique = v - + 4h1 h1 t intercept = 1 v v + dépassage = h1 v Formules limite inclinée Si une limite entre deu couches n est pas horizontale, la vitesse apparente des ondes coniques dépend de la direction de propagation: h g t réfracté/u = 1 + sin c v 1 v v 1 h p t réfracté/d = 1 + sin c v 1 v v α sin = - sin v d v u i c sin = + sin v d v u v = /sin( ic ) ( i α ) ( i + α ) 4

5 Plusieurs couches Une onde conique dans une couche n eiste seulement si v n est plus grand que toutes les vitesses des couches au-dessus. L angle d incidence au départ de la source est en ce cas: sin(i 1 ) = v 1 /v n. Le temps pour l onde conique en présence d interfaces horizontales est: n 1 t réfracté = hi vi 1 + i= 1 vi v vn n Sismique de réfleion En sismique de réfleion, on n utilise que des réfleions à courte distance (sous-critiques) Cette technique a une très bonne résolution des structures Elle a une très mauvaise résolution des vitesses sismiques Comme les amplitudes des ondes réfléchies sous-critiques sont très faibles il y a des techniques spécifiques pour améliorer le rapport signal/bruit. Stacking (CMP) Diagramme de flu Sommation de traces qui proviennent du même point de réfleion N récepteurs Δ couverture = Δ sources récepteurs Avant de sommer, il faut corriger les traces pour les temps de propagation variables (distances différentes): Normal MoveOut (NMO) CMP (common midpoint) Δ t NMO = * v 1 z1 z1 + 4 v 1 5

6 Migration Résolution Les sismogrammes montrent les structures par rapport au temps de propagation aller-retour (TWT) des ondes. Pour l interprétation géologique, il faut transformer les temps en profondeur En plus, les pendages apparents (δ ) sur les sections son plus faibles qu en réalité (δ). Correction: tan ( δ' ) = sin( δ) Résolution verticale: λ/4 Une couche entourée par d autres couches de vitesse inférieure ou supérieure produit une amplitude de l onde réfléchie maimale si son épaisseur est λ/4. Résolution horizontale: Zone de Fresnel La première zone de Fresnel a une largeur w de façon que la différence maimale des longueurs de trajectoire soit λ/4. λ w = d* λ + 4 Application ancienne décharge Sismique: pros & contres Problème: Connaître l épaisseur du remplissage d une ancienne décharge. Informations a priori: Taille m Épaisseur entre 10 et 5 m Base: craies Méthodes: Radar: trop profond EM et électrique: pas assez de résolution en profondeur Sismique faisable Réfraction: Pro: Profondeur env. 0-5% de la longueur d un profil Méthode relativement rapide Quelques epériences antérieures positives Contre: Vitesse des ondes dans la craie peut être assez faible, peut-être pas distinguable d un remplissage gorgé d eau Peut-être atténuation forte des ondes (doivent être détectables à > 50 m) Bruit de fond par l eploitation d une grande décharge à proimité 6

7 Sismique: pros & contres Réflection: Pro: Bonne résolution latérale Moins de problèmes d atténuation des ondes Contre: Méthode coûteuse et trop lente Problèmes d interprétation sans connaissance de la distribution des vitesses sismiques Eemples de données Eemple d interprétation 7

8 Modèles Profil de réfleion (profil 5) Comparaison EM31 & sismique Application suivi de pompage Zones de vitesse élevée ou amincissement de la couche très lente Question: Peut-on détecter et suivre l évolution d un cône de rabattement autour d un forage pendant un test de pompage avec la sismique Problèmes: Profondeurs très faibles (trop faibles pour la sismique réfleion) Amplitude et largeur du cône suffisantes? Variations des vitesses sismiques suffisamment importantes? 8

9 Planification des mesures Modèle initial (avant pompage) Longueur de la ligne: 4m ( m chaque côté du forage), basé sur des essais synthétiques Tirs de marteau tous les 1m, entre -3m et +3m Distance entre les géophones: 10 cm (conditionnée par le nombre de géophones disponibles) Une série de tirs toutes les 15min. Durée du pompage: h Variation pendant le pompage Comparaison avec l électrique Forage 9