TP SISMIQUE RÉFRACTION ANALYSE DES DONNÉES M1 IMAGERIE ET GÉOPHYSIQUE

Transcription

1 TP SISMIQUE RÉFRACTION ANALYSE DES DONNÉES M1 IMAGERIE ET GÉOPHYSIQUE Caroline Moutou Roser Hoste Colomer M1 Dynamique Terrestre et Risques Naturels Novembre 2011

2 INTRODUCTION Ce rapport à pour but caractériser un sous-sol à partir des donnés de sismique de réfraction. Ces donnés avaient été acquis par nous même lors d une demi journée de terrain sur le site expérimental de l INRA à La Valette, au nord de Montpellier. La zone d étude se trouvait entre le lit actuel de la rivière de Lez et une colline calcaire (Zoo Lunaret). Le dispositif déplié avait 24 géophones disposées rectilignement, une source (marteau) et une boîte de recompilation des données reçus par les géophones ainsi que la magnitude de la source. Photo aérienne Fig1. Photo aérienne de la zone d étude Dans un premier temps, les géophones étaient écartés de 4 mètres (ligne 1). Et dans un deuxième temps, ils étaient écartés d un mètre (ligne 2). Cependant, la source avait été mise à deux mètres du 1 er géophone, à 2 mètres du 24 ème et au milieu du dispositif pour chaque ligne. Par conséquent, on avait obtenu 3 profils sismiques pour chaque ligne qui nous donnent différentes informations. L étalement du dispositif limite la zone d étude longitudinalement, et la puissance de la source, la limite en profondeur d investigation. Description des données On a représenté les données du profil sismique dans un diagramme distance en surface (x) et temps des premières arrivées(y) pour chaque géophone. Y sont représentés les donnés pour une source 1 (S1) et pour une source 2 (S2). (Fig1.1. Hodochrones) Sur les profils sismiques, on identifie deux types différents d ondes comme premières arrivées. Une dont la longueur d onde est plus petite et une autre plus grande. Ceci est mis en évidence sur le diagramme où on observe une rupture de pente entre les deux types d ondes (on a fait des droites de régression à fin d avoir une tendance des données) : ondes directes près de la source et ondes coniques fur à mesure qu on s éloigne de la source. Les ondes coniques apparaissent, par rapport à la source, dans la ligne 1 à partir de 10-12m et à 6-8m pour la ligne 2. On identifie un seul type d onde conique.

3 Trois tirs avait été réalisé pour chaque ligne : un tir amont (S1), un tir aval (S2) et un tir centrale. Le tir amont et le tir aval permettent de caractériser les milieux et les interfaces entre eux. Le couplage tir amont tir aval sur le diagramme permet de voir la symétrie des temps d arrivés. Avec ceci on peut avoir des informations sur la géométrie de l interface (est-elle tabulaire, ou pente où avec des ondulations?). Et finalement, le tir central aide à caractériser mieux les ondes directes, donc le premier milieu. HYPOTHÈSE 1 : INTERFACE TABULAIRE Fig2. Schéma de deux couches tabulaires. Cette hypothèse sera valable si les vitesses de chacun des milieux sont les mêmes ou très semblants pour le tir amont et le tir aval, et entre les lignes. On se sert du diagramme pour trouver les vitesses (V1 et V2) car la pente (temps(t)/distance géophone-source(x)) des droits tracés correspondent à l inverse de leur vitesse (1/V). Ligne 1 Tir amont Tir aval t2-t1 t= msec x2-x1 x = m 1/V msec/m V m/sec t2-t1 t = msec x2-x1 x= m 1/V msec/m V m/sec V V Épaisseur de la couche du milieu 1 (H1) Fig3. Schéma des deux couches tabulaires avec le trajet de l onde et les caractéristiques à déterminer.

4 À fin de connaître l épaisseur de la couche du milieu 1 (H1), on doit déterminer l angle critique où l onde qui provient de la source (S1 ou S2) sera réfléchi vers un capteur/géophone. Vu qu on est dans un cas des couches parallèles, il sera toujours le même. L ordonnée à l origine dans nôtre diagramme c est le temps parcouru dans le milieu à la source, donc l épaisseur. Si on utilise l équation d une droite, ax+b, b intègre h, donc on pourra le retrouver comme c est décrit dans le tableau suivant : Sin V1/V2 (ic)= ic Ordonnée à l origine de l onde conique = tc (msec) h= (tc*v1)/(2*cosic) (m) Tir amont Tir aval Ligne 2 On suit la même procédure que dans la ligne 1. Tir amont Tir aval t2-t1 t= msec x2-x1 x = m 1/V msec/m V m/sec t2-t1 t = msec x2-x1 x= m 1/V msec/m V m/sec V V Épaisseur de la couche du milieu 1 (H1) Sin V1/V2 (ic)= ic Ordonnée à l origine de l onde conique = tc (msec) h= (tc*v1)/(2*cosic) (m) Tir amont º Tir aval º Avec ces résultats différents de vitesse V2 tandis que la légère différence de profondeur, on peut apercevoir que une solution des couches tabulaires n est pas proche de la réalité.

5 HYPOTHÈSE 2 : INTERFACE AVEC UNE PENTE Fig4. Schéma des deux couches séparées par une interface avec une pente et les paramètres à déterminer. Tout d abord on se rend compte que les temps d arrivées pour des géophones symétriques n ont pas exactement la même valeur. Cela est vrai pour l onde directe et la conique. Cette légère asymétrie nous laisse entrevoir que surement l interface entre le milieu 1 et 2 a une certaine pente. Maintenant, si on regarde les résultats obtenus dans le cas précédent, on s aperçoit que les profondeurs où on retrouve l interface ne sont pas les mêmes selon si on regarde le tir amont ou le tir aval d une même ligne. Les tirs amont des deux lignes montrent une profondeur d interface un peu plus importante (10-25cm) que les tirs avals. Aussi même que les vitesses dans le milieu 2. Elles sont très différentes entre le tir amont et le tir aval. Donc on en peut déduire qu on est dans un cas d interface avec une pente. Pour pouvoir caractériser ce 2 ème milieu on va définir l angle critique (ic), la pente de l interface (α) et retrouver une vraie vitesse V2. Ligne 1 h (profondeur V1 Vd,u (vitesses interface) apparentes du milieu 2) Tir amont 4.94 m 371m/s 3680 m/s Tir aval 4.66 m 4000 m/s ic = ½ (arc sin (371/3680) + arc sin (371/4000)) = 5.554º α = ½ (arc sin (371/3680) - arc sin (371/4000)) = 0.232º V2 = 371/sin5.554 = m/s

6 Ligne 2 h (profondeur V1 Vd,u (vitesses interface) apparentes du milieu 2) Tir amont m/s m/s Tir aval m/s ic = ½ (arc sin (314.15/3111.1) + arc sin (314.15/3000)) = 5.9º α = ½ (arc sin (314.15/3111.1) - arc sin (314.15/3000)) = -0.11º V2 = /sin5.9 = m/s HYPOTHÈSE 3 : INTERFACE ONDULÉE Fig5. Schéma de deux couches avec une interface ondulée et les paramètres à déterminer. Si on considère que l interface entre les deux milieux est ondulés, les méthodes t moins et t plus vont nous permettre de connaître la vitesse V2 et aussi la profondeur de l interface à chaque géophone ayant en compte le temps d arrivée des deux sources, et partant, avoir une pseudo-coupe de ces deux milieux. Pour appliquer bien cette méthode on tient en compte que les couples de temps pour le tir amont et le tir aval de l onde conique. À chaque géophone lui correspond un point où l onde est réfractée. Ligne 1 t(s1-rn) t(s2-rn) t moins t plus t (R1) t (R2) t (R3) t (R4) t (R5) t (R6) t (R7)

7 t (R8) t (R9) t (R10) t (R11) t (R12) t (R13) t (R14) t (R15) t (R16) t (R17) t (R18) Méthode t moins Vitesse V2 : Pente t moins pente t moins = (19 (-15)) / (82-18) = V2= 3.76 m/ms = m/s Angle critique (ic) : Sin ic = 371/ = ic = 5.655º Méthode t plus t(rn) = ½ [t+(rn)- t(s1s2) t(s1s2) = 51.5ms Ms S d(rn) = V1*t(Rn) V1= 371 m/s h = d(rn)*cos ic (m) ic = 5.655º

8 Ligne 2 t(s1-rn) t(s2-rn) t moins t plus (Rn) t (R1) t (R2) t (R3) t (R4) t (R5) t (R6) t (R7) t (R8) t (R9) Méthode t moins Vitesse V2 : Pente t moins pente t moins = (4 (-2)) / (18-9) = V2= 3 m/ms = 3000 m/s Sin ic = 314.1/3000 = ic = º Méthode t plus t(rn) = ½ [t+(rn)- t(s1s2) t(s1s2)= 32ms Ms S d(rn) = V1*t(Rn) V1 = m/s h = d(rn)*cos ic (m) ic = º Les profondeurs de l interface montrent un décalage important entre ligne 1 et 2 aussi même que les vitesses V1 et V2. (Fig6. pseudo-coupe du sous-sol) Par contre si on regarde séparément les lignes, on voit que les ondulations de cette surface qu on a essayé de caractériser depuis le début sont très faibles. Sur la ligne 2, les profondeurs d interface s étalent au long d une petite distance par rapport à la ligne 1.

9 NATURE DES TERRAINS Grâce aux vitesses obtenus par chaque milieu dans l hypothèse d une interface ondulée, qu on considère être celle qui explique mieux sa géométrie, on peut en déduire leur nature lithologique. En faisant une comparaison avec des vitesses théoriques pour diverses lithologies, on aura une idée approximée du type de matériau qui ne peut pas être prise pour déterminante. Donc pour des vitesses d ondes P du milieu 1 qui se trouvent entre 314 et 371 m/s on soupçonne que ce sont des matériaux détritiques non cohésifs. Si on rajoute l information du départ, le fait qu on est sur une terrasse de la rivière du Lez, on peut prendre des dépôts alluvionnaires comme les bons dans les premiers 4-5m. Et pour le milieu 2 avec des vitesses entre 3000 et 3765 m/s on a une variété plus grande. Ces vitesses collent avec argiles, grès, carbonates (calcaire ou dolomie). Mais les grès seraient le plus probable avec la comparaison théorique. Normalement, en-sous des alluvions on devait trouver des calcaires fracturés. Par contre, selon les informations que les professeurs nous avaient transmit, les calcaires se trouveraient à une profondeur de 9m environ. Pour le deuxième milieu, on va faire une première hypothèse que ce soit une couche de grès lié à la rivière. Une deuxième, qui considère que ce sont les calcaires fracturées remplit des argiles dont l interface avec les alluvions est ondulée ; et c est surement parce que c est une paléo-surface d érosion. Et une troisième assez déterminant, la nappe d eau se trouve normalement entre 5-6m de profondeur qui aurait pu remonter à cause des fortes pluies ; donc avec les valeurs obtenues on pourrait considérer que la nappe aurait réfléchi les ondes comme si était une couche rocheuse. CONCLUSION Tout d abord, il faut faire référence à la précision de la technique utilisée pour caractériser les milieux. Cette technique a une dépendance directe avec la main humaine pour lire les données, et retrouver les bonnes droites de régression et pouvoir dans un deuxième terme les soumettre aux formules. Ce raisonnement pourrait être l explication de la différence des résultats entre la ligne 1 et 2. Au même temps, les données peuvent être perturbées par la nature du sous-sol au moment de leur acquisition. Ce jour là, la zone d étude avait surement une remontée de la nappe d eau due aux pluies. Bien si les ondes de types P peuvent traversés les liquides, leur trajet peut être modifié. La quantité des données employées par obtenir V1 et V2 c est un facteur aussi qui peut nous faire penser à des erreurs. Dans la ligne 1, il y a plus de données d onde coniques que directes ; par rapport à la ligne 2 qui a plus des données en ondes directes. Ceci on peut dire que les valeurs de vitesses pour le premier milieu pourraient être près des résultats obtenus sur la ligne 2, et qu au contraire, la vitesse réelle du deuxième milieu pourrait être proche des résultats sur la ligne 1. Si on veut se rapprocher des valeurs réels des caractéristiques des couches on va les comparés avec la méthode d électrique