Sismique Réfraction Principe, Acquisition, Traitement et Interprétation
To cite This version-P version-Pour our citer cette version DJEDDI Mabrouk Mabrouk : sismique réfraction réfraction : Principe, Principe, Acquisition, Traitement Traitement et Interprétation. Interprétation. Département de GéophysiqueGéophysique- FHC- Université M’Hamed B ougara de Boumerdes .Algérie 03/2017.
Avertissement : Avertissement : Ce document est le fruit de notes de cours dans une version préliminaire. Ces notes doivent être vues comme un complément complément d’information d’information au cours de sismique sismique réfraction. réfraction. Cette version
renferme vraisemblablement des fautes et des erreurs .Merci de bien vouloir me les communiquer.
Introduction Mécanisme de la réfraction Sismique petite réfraction(TPR) La moyenne sismique réfraction La grande sismique réfraction Les Modes sondage et profilage continu La Réfraction sur un marqueur plan et horizontal Cas d’un milieu bicouche Notion de délai sismique Cas de trois couches parallèles Cas des couches inclinées (cas de trois couches) Le dispositif sismique réfraction (tir direct et inverse) Les limites de la sismique réfraction Le principe des mesures (sources, capteurs sismiques et appareillage d’enregistrement) d’enregistrement) Dispositif de mesure et Technique opératoire Interprétation et domaines d’application
1
INTRODUCTION Les méthodes méthodes sismiques
permettent d’obtenir des informations informations sur la structure
géologique du sous-sol .Le sismicien utilise essentiellement deux méthodes de surface : la sismique réflexion et la sismique réfraction. Les deux méthodes utilisent un champ élastique créé artificiellement par des sources sismiques impulsives ou vibratoires .Lorsqu’ on on provoque en un point donné du sol une rupture des conditions d’équilibre, il en résulte des perturbations (agitations), lesquelles se propagent sous forme d’ondes sismiques .Elles se propagent suivant les lois de l’élasticité dynamique .Ces ondes s’étend ent à travers les couches géologiques à une vitesse qui dépend de la nature du milieu traversé. Tout rai sismique parvenant à l’interface l’interface de deux milieux milieux d’incidence donne naissance à :
et
sous un angle
Deux rayons réfléchis émergeants, l’un longitudinal, l’autre transversal Deux rayons réfractés
transmis dans le milieu inférieur, véhiculant, l’un des
mouvements de compression, compression , l’autre de cisaillement. cisaillemen t.
Parmi les ondes sismiques, on distingue différents types. 1- Les ondes de volume volume qui comprennent :
Les ondes longitudinales ou de compression (ondes P) Les ondes transversales ou de cisaillement (ondes S)
2- Les ondes de surfaces (ondes de Love, de Rayleigh etc…) Les ondes sismiques, sont donc assimilées à des ondes élastiques. Celles-ci se comportement comme des ondes lumineuses, elles subissent des réflexions et des réfractions selon les lois de Snell-Descartes à chaque traversée d’une surface de séparation de deux milieux de caractéristiques physiques différentes .Elles obéissent également aux principes de Huguens et de Fermat. Les deux méthodes sismiques, indépendamment d’autres critères, peuvent être utilisées en ondes longitudinales, ondes transversales ou en ondes de conversion. L’étude des ondes longitudinales longitudinales est actuellement, actuellement, et de loin, la la plus utilisée.
2
MECANISME DE LA REFRACTION La sismique réfraction dont le fondateur est l’Allemand Ludger Mintrop Mintrop (18801956) fut dans le passé une méthode assez répandue en exploration sismique ou elle a permis de découvrir d’importants d’importan ts gisements de pétrole. Elle fut supplantée
par la sismique réflexion. Elle est de nos jours utilisée de temps en temps en méthode de grande reconnaissance avant l’emploi de la sismique réflexion. Cependant elle garde son importance importance en sismique sismique petite réfraction pour calculer les corrections statiques lors d’une d’une prospection prospection sismique réflexion et pour pour l’explorer l’explorer des structures profondes de la croûte terrestre. Le mécanisme de de la sismique réfraction se résume comme suit : considérons deux milieux de caractéristiques physiques différentes séparés par une interface plane et horizontale dans lesquels les vitesses de propagation des ondes sont respectivement égales à et avec .Dans de telles conditions, l’angle d’incidence est plus petit que l’angle de réfraction (fig1 fig1). ).
> ′
D’après la loi de Snell –Descartes, nous avons :
′
Au fur et à mesure que le front d’onde incident, engendré par un ébranlement, se propage au niveau de l’interface, l’interface , les angles et augmentent. Lorsque l’angle
′ de réfraction
atteint 90°, 90°, on a
′
. L’angle d’incidence est ainsi appelé angle
limite ou critique. On peut donc écrire :
Le rayon réfracté devient ainsi rasant et se propage à la surface du milieu à la vitesse .Le front d’onde transmis se déplace plus vite que le front d’onde incident. Si l’angle d’incidence continue à croître jusqu’à atteindre une valeur supérieure à celle de l’angle limite , il se produit alors le phénomène de réflexion totale.
En plus de la réfraction, l’on note d’autres trajets empruntés par plusieurs ondes sismiques provenant d’un ébranlement Il s’agit de :
Trajet direct effectué par les ondes longeant directement la surface du point point de tir aux géophones Trajet réfléchi au contact de deux terrains Trajets diffractés, multiples etc…
3
Fig. 1 Réflexion et réfraction d’une onde élastique à l’interface de deux milieux
En surface, la détection d’ondes coniques ne se fait que lorsque les récepteurs sont disposés à partir d’une distance appelée « distance limite » dont la relation avec l’angle limite est la suivante :
: Étant l’épaisseur du premier milieu
Si, sur un graphique graphique , nous portons , en abscisse ,les distances ( ) séparant le point d’ébranlement aux différents points d’enregistrement et en ordonnée , les temps de propagation correspondant , nous obtenons trois courbes tempsdistance appelées hodochrones ou dromochroniques correspondant aux différentes arrivées exprimées par les équations suivantes fig.2 fig.2::
√ +
La première arrivée correspondant à l’onde directe au temps :
La deuxième deuxième courbe correspondan correspondantt à l’onde l’onde réfléchie au temps.
: C’est une hyperbole, asymptote de la courbe de l’onde directe Pour
, elle coupe l’axe des temps en
(temps vertical à l’aplomb du point du tir).
4
La troisième courbe correspondant aux ondes coniques d’équation :
L’hodochrone de l’onde réfractée, dont la pente est
point
appelé temps d’intecept :
, coupe l’axe des temps au
, Ou ordonnée à l’origine
Les pentes des différentes courbes permettent la détermination des vitesses de propagation des différentes ondes sismiques.
Fig. 2 Hodographe (temps-distance) (temps-distance) .Temps de parcours source-géophone source-géophone des différents types types d’ondes sismiques
Le temps de parcours de l’onde sismique réfléchie est une hyperbole
-Onde directe : Elle Elle se propage le long de la surface surface du sol, elle est enregistrée la première lorsque le géophone est très proche de la source -Onde conique (réfraction totale) .Elle ne peut être détectée qu’à une distance minimum de la source E-B. La relation temps-distance est une droite de pente , mais avec une correspondant au temps minimum qu’il faut faut pour ordonnée à l’origine non nulle correspondant atteindre le point B. La distance EB est est appelée distance critique. Les ondes coniques
5
arrivent avant les ondes directes au-delà de la distance E-C. Le point G est appelé brisure et la distance EC étant la distance critique.
point de
-Onde réfractée (transmise) dans le second milieu
La mise en œuvre de la méthode par par réfraction
requiert la distance source— capteurs plus grande que la distance limite. Ce qui rend rait possible l’enregistrement des réflexions totales sur l’interface , lesquelles ne perturberont en rien l’enregistrement l’enregistrement des ondes coniques, en raison de leur temps de propagation plus
grand.(fig.3 grand.(fig.3)) La sismique réfraction emploie exclusivement les ondes sismiques réfractées sur les interfaces en arrivées premières.Son principe consiste à étudier la propagation des ondes sismiques coniques produites par une source d’excitation sous un angle d’incidence égale à l’angle critique. En effet, p our deux milieux de vitesse (milieu supérieur) et (milieu inferieur) tel que , il existe un point d’incidence critique correspondant à un angle critique tel que . A l’interface entre les deux milieux l’onde sismique conique (les fronts d’onde sont coniques) se propage alors le long de l’interface dans le deuxième milieu de vitesse en
> ⁄
suivant un trajet parallèle à la surface de séparation séparation entre les les deux milieux. Puis elle revient revient en surface surface vers le milieu supérieur de vitesse sous un angle ou elle sera enregistrée par les géophones d’émergence égal à l’angle l’angle critique implantés en surface.
La sismique sismique réfraction se pratique pratique à toutes les échelles. Elle peut-être subdivisée en :
Fig.3 exemple d’un film sismique
(Document AGAP) 6
LA SISMIQUE PETITE RÉFRACTION(TPR) La sismique petite réfraction appelée également sismique réfraction légère est utilisée à une échelle réduite (petit dispositif) dont la profondeur d’investigation d’investigation n’excède pas 200 à 300 mètres. Elle est employée en génie civil et en géotechnique
pour la connaissance de la profondeur et la vitesse de la proche sub surface pour l’implantation de divers ouvrages tels que les barrages, les centrales nucléaires, la recherche de cavité etc... En hydrogéologie, elle est utilisée pour déterminer la profondeur de la nappe d’eau,
les zones fracturées du socle cristallin etc. La sismique sismique réfraction (tir de WZ), sorte de sondage réfraction à petite petite échelle est aussi couramment utilisée en sismique réflexion pétrolière pour connaitre la vitesse et l’épaisseur de la zone altérée (W.Z- Weathered zone) superficielle. Le tir de W.Z est effectué pour réaliser les corrections statiques (correction de WZ, corrections d’altimétrie d’altimétrie et de point de tir) lors d’une campagne campagne de sismique sismique réflexion
pétrolière terrestre.
LA MOYENNE SISMIQUE RÉFRACTION La moyenne sismique réfraction a été la première méthode employée dans la prospection pétrolière. Elle fut utilisée pour la reconnaissance structurale des bassins sédimentaires grâce à son efficacité dans dans la la cartographie cartographie du socle cristallin. Le dispositif d’observation d’observation peut atteindre plusieurs plusieurs kilomètres. Elle fut fut à l’origine de la découverte de nombreux gisements pétroliers tels que le gisement pétrolier d'Orchard Salt Dôme au Texas 1924 le grand gisement de gaz de Hassi - R’Mel et du gisement pétrolier de Hassi - Messaoud tous deux situés au Sahara algérien. ,
LA GRANDE SISMIQUE RÉFRACTION La sismique réfraction grande angle (grande réfraction) utilise des sources d’excitation
en sismique terrestre de la dynamite dont la charge peut atteindre des quintaux voire une tonne. Elle permet d’imager des marqueurs profonds à partir de l’enregistrement l’enregistrement du temps de trajet et les amplitudes sismiques. L’intervalle L’interva lle de temps entre deux enregistrements enregistrement s est plus grand qu’en sismique classique et ce afin de permettre d’enregistrer d’enregistrer les ondes sismiques en provenance
des interfaces situées à de grandes profondeurs. Néanmoins, Néanmoins, le grand espacement (offset) et le nombre réduit de géophones limitent la résolution verticale et ne permettent d’accéder qu’à des informations information s de grandes longueurs d’ondes du sous sol. Elle utilise de grandes offsets de plusieurs dizaines voire des centaines
kilomètres dans dans les dispositifs dispositifs d’acquisition. d’acquisition. Généralement, Généralement, plus l’offset l’offset est grande plus il est possible d’enregistrer d’enregistre r des ondes se propageant à de grandes profondeurs. Les méthodes de sismique grand angle permettent d’imager les structures
géologiques profondes à grande échelle de la croûte terrestre et du manteau supérieur et tout particulièrement lithosphérique dans le but de comprendre
davantage les processus lithosphériques et ce grâce à l’étude du champ de vitesse, l’étude de l’imagerie des réflecteurs crustaux etc…
7
La sismique réfraction peut être utilisée selon deux modes opératoires; Sondage réfraction Profil continu
LE MODE SONDAGE RÉFRACTION En mode sondage, la méthode sismique réfraction permet de fournir des informations réelles sur la succession des marqueurs des milieux définis par des vitesses différentes sous le point source. Le sismicien réalise généralement un tir direct et un tir tir inverse suivis le plus souvent par un tir au centre dans le but de mettre en évidence avec une bonne précision l’ inclinaison inclinaison du marqueur sismique .Le mode sondage réfraction permet également d’estimer l’offset à utiliser en mode réfraction en profils continus lorsqu’on veut faire une étude de reconnaissance une région. d’ une LA RÉFRACTION EN PROFILS CONTINUS Ce mode permet permet d’effectuer des coupes sismiques sismiques le long des profils profils sur toute une zone d’intérêt.
LA REFRACTION SUR UN MARQUEUR PLAN ET HORIZONTAL Le fondement de la méthode sismique réfraction est élaboré sur le fait que le parcours des ondes sismiques se caractérise par par des vitesses vitesses variables à travers travers les différentes couches traversées. Ce principe exige deux conditions essentielles : -la vitesse doit augmenter avec la profondeur Les diverses couches à travers lesquelles les ondes coniques se propagent doivent posséder chacune une épaisseur épaisseur suffisante suffisante permettant permettant la propagation des ondes coniques Cas d’un milieu bicouche
) dont la surface de discontinuité est un marqueur sans pendage (nul). Le phénomène de réfraction est décrit conformément à la loi de Snell-Descartes par la relation :
Considérons le cas d’un milieu
bicouche ( et
: Angle en incidence normale
: Angle de l’onde transmise (réfractée) dans le second second milieu ( ).
> °
Lorsque
>
, l’angle est supérieur .Pour une valeur de , l’angle atteindre dans le milieu .C’est le cas de la réfraction totale appelée appelée onde conique. 8
le long du marqueur marqueur avec L’onde réfractée (onde conique) se propagera alors tout le une vitesse avant de remonter sous avec un angle d’incidence vers la
surface (fig4 (fig4))
Etablissons la courbe appelée hodochrone de réfraction ou dromochronique du marqueur horizontal. La dromochronique (fig.5) exprime le temps du parcours de l’onde conique en fonction de la distance (offset), des vitesses de propagation et le l’épaisseur de la première couche .
,
Calcul de l’hodochrone de l’onde conique
Le calcul de l’hodochrone de l’onde conique s’effectue comme suit : Dans la couche I L’onde sismique parcourt la distance
temps
avec une vitesse
en mettant un
Dans la couche II L‘onde conique parcourt la distance
Le temps de parcours total
/ / +
avec une vitesse
est la somme de
.
On a
, soit
La distance
laquelle correspond le temps
en mettant un temps
√
Le cosinus peut être exprimé à l’aide des vitesses
et
,
Ce qui donne :
. −
=
. .
−
Sachant que le temps de propagation de l’onde directe est : 9
avec
. . − . − . . − ,
d’où
L’onde conique mettra le temps pour traverser la distance
. +
T
Le temps est une fonction linéaire de l’offset (
géophone)
), distance
émetteur –
. . – – Soit
. − . − . . . – – , sachant que
Comme
.
)
.
)
De l’expression
On peut éliminer les expressions expressions renfermant l’angle critique
=
, =
Ce qui donne
− . 10
étant donné que :
: exprime le temps d’arrivée de l’onde conique en surface.
L’ hodochrone hodochrone de l’onde conique est une droite de pente l’onde directe .Elle coupe l’axe des temps au point (ordonnée à l’origine).
I
L’onde conique n’apparait
critique
inferieure à la pente de
appelé temps d’intercept
qu’à partir d’une d’une certaine certaine distance
.
Un géophone placé au point
.
appelée distance
enregistre la première onde réfractée
En deçà du point c’est-à-dire pour des valeurs de première arrivée est celle de l’onde directe.
Fig.4 Formation d’une onde conique dans un milieu bicouche
11
< .
la
Fig. 5 La dromochronique T = f(X)
Notion de délai sismique La notion notion de de délai est importante importante en sismique sismique réfraction. Le délai est défini comme étant. Délai
/ .
De la figure 3, pour 3, pour un marqueur horizontal, la dromochronique dromochroniq ue de l’onde réfractée à pour équation (cas de deux couches) :
L’ordonnée à l’origine (intercept)
est la somme de deux quantités égales
appelées délais, relatifs aux rayons et . Ainsi, Ainsi, le délai associé au rayon est la différence entre le temps réel de à et le temps virtuel le long de la projection à la vitesse du marqueur. marqueur. On a:
. . . . . . .. .
12
Pour un milieu composé de plusieurs couches horizontales, le délai brisé sera la somme des délais relatifs aux segments chaque terrain .
lié au rayon du rayon dans
∑ ∑ ∑ . . ∑ . . . ∶ ⋯ ° , La vitesse du marqueur
Selon la loi de Snell Descartes, on a :
Comme
D’où le délai aura pour expression finale :
∑ . . La dromochronique correspondant au marqueur de vitesse expression :
a finalement pour
=
Calcul de l’épaisseur H
De
on a
, .. . . −
Calcul de la distance critique
, . − Au point
totale est
l’onde directe et conique arrivent en même temps, On a
(
-
, comme
, comme
la condition de réfraction
=
On obtient
. . . . . . 13
et
+−
La distance critique est fonction fonction de la profondeur et du contraste de vitesse vitesse dans les milieux et .Pour une une épaisseur constante, plus le contraste entre et est grand et plus est petit
Cas de trois couches parallèles En présence de trois couches parallèles fig6 fig6,, le tracé des dromochroniques fournit trois droites :
La première droite passe par l’origine l’origine des axes couche et a pour équation Fig. 7 : 7 :
La seconde courbe pour équation :
.Elle correspond à la première
se rapporte à l’onde conique issue de l’interface
, elle a
L’ordonnée à l’origine l’origine de cette équation équation (intercept) s’exprime par la relation relation :
, , et
La troisième courbe représente l’onde conique de l’interface
Son équation est :
––
L’intercept (ordonnée à l’origine) l’origine) a pour expression :
, , Les vitesses se déterminent en mesurant la pente exprimées par les équations ci –dessus.
des courbes des équations
Le calcul des épaisseurs s’effectue à partir des temps d’intercept
.
14
L’épaisseur de la seconde couche
se calcul e par l’expression :
.. , . , . . − ∑=− =
Lorsque et sont voisins voisins de 1, il est est possible possible d’utiliser d’utiliser les formules formules approchées suivantes pour pour le calcul des épaisseurs et Erreur par défaut
Erreur par excès
Pour le cas de couches parallèles, le temps d’arrivée de l’onde l’onde conique conique a pour expression
: Épaisseur de la couche
: Angle critique de réfraction du niveau
: Angle d’incidence sur le niveau
troi s couches parallèles à la surface du sol Fig.6 Coupe d‘un terrain à trois
15
Fig7. Hodochrones correspondants à trois couches parallèles
CAS DES COUCHES INCLINEES Il est très rare de rencontrer, dans la nature, des couches entièrement parallèles .Habituellement, les les marqueurs affichent un un certain pendage dont dont la détermination ainsi que celle de leurs épaisseurs et vitesses ne sont possibles que si l’on opère avec une acquisition sur le terrain dans les deux sens c’est -à-dire en opérant par les tirs tirs sismiques directs et inverses. Etude du cas de trois couches
Considérons un milieu constitué de couches de vitesses , et .On suppose que le toit de la première couche est horizontal et que celui de la seconde couche et troisième couche sont inclinés dans la même direction (fig.8 fig.8)) En supposant que les marqueurs séparant les deux terrains font respectivement les angles suivants : L’angle formé par le toit de la première couche ( ) avec celui de la seconde couche ( ) avec l’horizontale.
: :
L’angle du toit de la seconde couche ( ) avec celui de la troisième couche ( avec l’horizontale. l’horizontale.
16
)
Tir sismique direct Onde directe (fig.9)) L’onde directe est la même que dans le cas de couches horizontales horizonta les (fig.9
On tir en et on enregistre en (tir direct) .L’onde sismique directe du point au point (capteur), elle a pour équation de l’hodochrone :
Onde conique
L’onde conique provenant de l’interface
hodochrone ayant pour expression :
et
enregistrée en
se propage
possède un
. − . La vitesse, qui en résulte, est appelée vitesse amont ou vitesse supérieure. Elle a pour expression :
− . + . + Tir sismique inverse
Le tir en
(inverse)
et l’enregistrement sismique en l’hodochrone de l’onde conique à l’interface l’interf ace fig.9:: fig.9
apparente
fournit l’expression l’expressio n de
(vitesse avale, appelée aussi vitesse apparente inferieure)
La connaissance des expressions de et permettent de calculer l’angle critique et l’angle selon le système d’équations à deux inconnues suivant :
17
La détermination de l’angle critique l’aide de la formule :
Dans le cas où les vitesses
de l’interface
par la relation :
à
et sont très voisines, c’est le cas où l’angle est très faible, la vitesse sera déterminée
1 ≅
d’inclinaison
permet de calculer la vitesse réelle
,
, soit
(erreur par excès)
Par analogie, analogie, la réfraction sur l’interface l’interface
− ∅ +
permet d’écrire :
Selon la loi de Snell –Descartes, on a :
∅ − + Ce qui permet de de connaitre la valeur des angles par la formule suivante :
et
, , , ∅
et d’en déduire la vitesse
,
La connaissance des angles , , − et les vitesses réelles et sus mentionnées ainsi que les temps des intercepts sous les points et inverse , permet le calcul des épaisseurs d’enregistrement en tir direct selon les équations suivantes :
L’enregistrement en tir direct
donne :
∆ . ∆ . . + ∅ ∆ . ∆ . . + ∅
L’enregistrement en tir inverse
donne :
=
18
Fig. 8 Schéma de 3 couches inclinées dans la même direction
Fig.9 Les dromochroniques d’un exemple de 3 formations inclinées dans la même direction
19
LIMITE DE LA SISMIQUE REFRACTION La sismique réfraction obéit à certaines hypothèses dont certaines sont impératives alors que d’autres peuvent en fait tolérer quelques entorses. Les conditions d’application d’applicat ion se résument comme suit :
Les formations doivent être supposées tabulaires assimilables à des milieux homogènes et élastiquement isotropes. Elles peuvent avoir des pendages différents mais à conditions qu’ils ne soient exagérés
Les interfaces doivent être planes
Les vitesses en couche.
doivent impérativement augmenter avec la profondeur, de couche
Les épaisseurs des couches ne doivent pas être assez faibles faibles par rapport à leurs profondeurs. Lorsque les couches échappent à ces postulats , elles passent inaperçues sur les dromochroniques. A ces difficultés s’ajoutent celles dues aux irrégularités du sou ssol (variations latérales de faciès, discontinuité et bien d’autres) Ce qui rend difficile l’interprétation l’interprétation des résultats. Les cas structuraux pour lesquels la sismique réfraction se montre inefficace sont nombreux. Parmi les cas des couches masquées les plus connus, c onnus, il y a : Cas d’un terrain lent intercalé.
C’est le cas lorsqu’une couche supérieure possède une vitesse sismique plus élevée que la vitesse de la couche inferieure ( .Le phénomène de réfraction totale (onde conique) ne peut s’engendrer à l’interface I-II puisque .Il en découle que la dromochronique ne renfermera renfermera aucune branche de pente .Le cas d’une couche lente intercalée fausse en effet les calculs de profondeur de de marqueurs marqueurs sous-jacents. La profondeur profondeur de la troisième couche, calculée à partir de ces données sera se ra alors supérieure à la profondeur réelle.
< <
< /
Cas d’un terrain mince.
Ce cas traduit également sans ambiguïté, la disparition de la couche mince de vitesse même si la condition est respectée. C’est l’exemple de trois couches où la deuxième couche est mince et si de plus le contraste de vitesse est moins marqué que le contraste . En effets, dans de telles conditions, les ondes réfractées au toit de la troisième couche arrivent aux géophones avant les ondes coniques au toit de la seconde couche. couche.
< <
20
PRINCIPE DES MESURES La méthode sismique réfraction réfraction exploite l’enregistrement l’enregistrement des temps temps de propagation propagation des ondes sismiques longitudinales .Elle a fait ses preuves en tant que méthode géophysique de prospection permettant de définir avec une bonne précision les vitesses des ondes longitudinales et les épaisseurs des couches constituant le sous-sol. La sismique réfraction basée sur la mesure du temps de propagation d’une onde élastique, nécessite nécessite un dispositif de mesure comprenant : Un dispositif d’émission, ou dispositif dispositif de point de tir, du dispositif de réception et du système d’enregistrement d’enregistrement. La source sismique On distingue divers types de sources sismiques tant terrestre que marine et il nécessaire d’indiquer que toute source sismique donne naissance à tous les types d’ondes élastiques.
Plusieurs types de Sources de Sources sismiques d’énergie peuvent être utilisés pour provoquer un ébranlement sismique : type chute de poids (masse, dameuse Delmag, source soursile et Vakimpac), l’explosif (dynamite) à faible profondeur, le mini-sosie, le vibroseis, type fusil (Shotgun, Betsygun) et bien d’autres . Les capteurs sismiques Les ondes coniques sont enregistrées à la surface surface par l’intermédiaire des capteurs capteurs (géophones ou hydrophones). hydrophones) .
En prospection sismique terrestre, le dispositif de réception est composé d’ une une flûte, câble électrique contenant autant de paires de conducteurs que de points de détection. Tout au long de ce câble (flûte), se trouvent des sorties, régulièrement géophones de type espacées, permettant l’assemblage des géophones .Les géophones électromagnétique sont régulièrement espacés. Ils fonctionnent sur le principe d’une bobine d’induction dont l’axe l’axe est soit soit vertical, vertical, soit soit horizontal. horizontal. La bobine d’induction à axe vertical permet de détecter les mouvements verticaux du sol (ondes sismiques longitudinales P), alors que celle à axe horizontal permet de détecter les ondes de cisaillement (transversales S) Un géophone est constitué d’une bobine solidaire du boitier, lui -même solidaire du sol. Cette bobine est placée dans l’entrefer d’un aimant permanent, inerte, suspendu
dans le boitier par des ressorts. Une pointe pointe métallique solidaire du boitier assure un un bon contact sol-géophone (fig.10). Tout mouvement du sol provoque un déplacement relatif de la bobine par rapport à l’aimant. Un courant induit,
proportionnel à ce déplacement, est de ce fait engendré. Les mouvements du sol so l 21
sont ainsi convertis en signaux électriques. Les géophones utilisés en prospection sismique sont généralement de vélocimè tres, c’est-à-dire des capteurs dont la tension de sortie est proportionnelle à la vitesse de déplacement du sol.
En prospection sismique sismique marine, la flûte flûte est substituée substituée par le streamer (flûte marine).Il s’agit d’un tuyau en plastique de quelques centimètres de diamètre contenant les hydrophones. hydrophones . Les hydrophones sont des détecteurs sensibles à la pression que l’on utilise en prospection prospection sismique marine . Ils sont conçus en faisant appel aux propriétés piézoélectriques de certains minéraux comme le quartz ou la céramique. Les hydrophones espacés, fixés fixés et espacés à la surface de l’eau sont directement directement reliés à l’enregistreur l’enregistreur à l’aide d’un câble câble multi fils (streamer)
Fig10.. Schéma d’un géophone vertical du type électromagnétique Fig10
L’appareillage d’enregistrement
La sismique réfraction est une méthode rapide, précise et peu onéreuse .Il existe sur le marché d’un grand nombre d’appareillage qui, bien basés sur le même principe de mesure du temps de propagation d’une onde réfractée, sont très différents par
leur conception, leurs limites et leurs possibilités. Les enregistreurs enregistreurs actuels peuvent enregistrer 12, 24 voire 48 traces sismiques. sismiques. Ils sont dotés d’amplificateurs, de convertisseurs analogique/numérique analogique/numérique et des filtres .Les enregistreurs actuels, dotés d’imprimante intégrée, offrent la possibilité de réaliser plusieurs opérations 22
notamment d’additionner, de de sauvegarder sauvegarder les données données sismiques sismiques (USB, disquette, disque dur etc.). Dès son entrée dans l’appareil d’enregistrement, le courant induit, issu des géophones est enregistré à l’aide d’ un un chronographe qui transcrit les différentes
arrivées amplement amplifiées et éventuellement filtrées ainsi que les marques du temps
d’arrivée des ondes sismiques et le temps origine de la source d ’émission
avec une assez bonne précision. Dispositif de mesure et Technique opératoire Le dispositif de mesure en sismique réfract réfraction ion sur le terrain consiste à transmettre transmettre à (temps zéro ou time break fig. l’aide d’une source d’énergie à un instant précis 11)) des ondes sismiques qui se propagent dans le sol et à enregistrer grâce à 11
une géométrie géométrie favorisant favorisant les ondes réfractées .Cela consiste à mesurer le temps de (TB) et l’arrivée de l’onde conique et directe en propagation entre l’instant surface à des distances connues de la source d’ émission émission d’ énergie énergie .On utilise généralement un dispositif composé de 12 ou 24 géophones couplés au sol ,espacés à intervalle régulier et reliés directement au dispositif d’enregistrement par l’intermédiaire d’un câble multi fils ( flûte sismique).Le premier géophone est situé à une distance de la source sismique .L’intervalle(inter trace) entre chaque géophone est constant . Il arrive quelques fois de diminuer la distance entre les géophones près du point d’émission pour parvenir à une meilleure précision sur les couches très très superficielles. Les tirs peuvent être effectués soit en tir direct et inverse (appelé tir en bout) et , avec tir au centre du dispositif et tirs lointains et fig.12.. Dans des situations particulières notamment fig.12 en présence de variations variations latérales latérales de facies, on effectue des tirs intermédiaires intermédiaires entre par exemple les géophones 6 et 7 d’une part et 18 et 19 d’autre part pour un dispositif constitué de 24 géophones
’
’
23
réfraction avec Mini- Sosie (SNPA) Fig.11 exemple d’enregistrement obtenu en sismique réfraction
24
Fig. 12 Dispositif sismique réfraction 24 traces
’’ ’
et : Deux tirs en offset et : : tirs en bout (tir direct et inverse), constitue la longueur du dispositif : tir central et : : Tirs intermédiaires
’
Pour un dispositif à 12 traces sismiques, il est utilisé deux tirs en offset et , un tir au centre en et un tir entre les les traces et Les tirs en bout (tir direct et inverse) et accéderont à la reconnaissance des pendages des couches La longueur du dispositif en sismique réfraction réfraction est fonction de la profondeur de
’
l’objectif et des contrastes contrastes de vitesse vitesse des différents différents marqueurs marqueurs sismiques. sismiques. Dans le
/
cas général, on admet que la profondeur détectable (investigation) est approximativement compris entre et . A titre d’exemple, pour un milieu constitué de deux couches de vitesses sismiques sismiques estimées à et et de
/
25
profondeur , la longueur du dispositif approximativement selon la formule :
à
utiliser
sera
déterminée
2 . +−
Quant au pouvoir de résolution, il dépend des contrastes de vitesses et de l’inter trace (distance entre les capteurs) Interprétation
Les données recueillies sur le terrain sont des traces de sismique réfraction, c’està-dire des sismogrammes (films sismiques).Les méthodes d’interprétatio n sont nombreuses et variées .Elles permettent de fournir une coupe sismique des différentes couches du milieu individualisées par leur épaisseur épaisseur et leur vitesse de propagation des ondes P Les méthodes d’interprétation les plus connues sont : la méthode de Gardner (utilisant la notion de délai), la méthode des fronts d’onde (de Thornburgh), la
méthode de Hales, la méthode de Barthelmes, la méthode de Tarrant, la méthode d’Ohlovich, méthode de Hawkins etc… L’interprétation L’interprétation la plus plus simple simple consisterait à construire les dromochroniques et en
déduire les vitesses sismiques sismiques des ondes P à partir des observations des droites de pente et . Dans le cas d’un milieu bicouche, l’intersection l’intersect ion de la droite de pente avec l’axe des ordonnées (intercept) permet de calculer l’épaisseur de la première couche selon la formule
⁄⁄ ⁄ . .− −+ :
Pprofondeur Pprofondeur (en mètre) de la première couche sous le point de tir
I : intercept (secondes),
distance critique (cross-over) en mètre
et (m/s) : sont respectivement la vitesse seconde couche.
des ondes P
de la première et la
La détermination détermination de l’épaisseur l’épaisseur des marqueurs sismique sismique se fera à partir des valeurs valeurs de délai délai à l’aide de la formule
− ∑−= ,
avec
,
Le calcul des vitesses vraies se déduit à partir des valeurs de vitesses apparentes directes (en amont) et des vitesses apparentes apparentes inverses (aval) au cosinus près près du pendage.
26
...
Lorsque les vitesses et les épaisseurs varient latéralement, on utile d’autres méthodes telles que la méthode Minus-Plus et la tomographie sismique (cas de variations sont importantes) Les méthodes d’interprétations sus mentionnées sont fondées en majorité sur le principe de la détermination détermination des épaisseurs épaisseurs des couches géologiques sous le point de tir. La méthode méthode de Hawkins , utilisée fréquemment en profilage profilage sismique sismique permet de déterminer les épaisseurs des couches sous les géophones en utilisant l’équation :
+
Ou
et
[ ()]
: épaisseur : épaisseur de la couche
.Vitesses .Vitesses de propagation des ondes P dans les couches et
LES DOMAINES D’APPLICATION
La petite sismique réfraction est bien adaptée aux milieux tabulaires .Elle est appliquée en géologie, géologie, hydrogéologie, hydrogéologie, milieu milieu aquatique etc… Elle est utilisée utilisée pour la
recherche de matériaux et en recherche minière. Elle est utilisée pour déterminer la position de la nappe d’eau et la structure du réservoir en hydrogéologie .Elle est également de plus en plus utilisée dans le domaine des travaux publics routiers, en génie civil pour la recherche préalable d’un emplacement pour la construction, et bien d’autres. Dans le domaine pétrolier, elle est utilisée au côté de la sismique réflexion pour l’étude de la zone altérée altérée (couche superficielle) superficiel le) en vue de déterminer son épaisseur
et la vitesse afin de réaliser les corrections statiques
27
Bibliographie
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1010 1111 12 13 1414 1515 16
Astier J.L .1971.Geophysique appliquée à l’hydrogéologie .Masson Ed., Paris
Barbier M. 1972 .Sosie, nouvelle méthode d’émission acoustique et de traitement des données. Bull. Centre .Rech.Pau.SNPA vol 5, n°1, pp 169-180 Chapel P., 1980 .Géophysique appliquée, Dictionna ire et plan d’étude, Ed. Masson
Clement .A. et Layat .C.1961. Corrélation à distance constante en sismique réfraction. Geophysical Prospecting 9, n°2 Codet, Damotte .B, ERG.E, Lavergne .M, et Layotte.P.C .1971 .Sismique minière haute fréquence.Geophysical prospecting 19 n°4 Fauchard C. et Mérieux P. 2004. Méthodes géophysiques et géotechniques pour le diagnostic des digues de protection contre les crues, Cemagref Editons. Geyer.R.L. 1973.Vibroseis refraction weathering techniques .Geophysics 38 n° 2
Hagedoorn G.J., 1959. The Plus-Minus method of interpreting seismic refraction sections, Geophysical Prospecting, 7, 158-182 Hawkins L.V 1961 .The reciprocal method of routine shallow seismic refraction investigations .Geophysics,26 , 806-819 Hess .A.1966.Prospection géophysique à
faible profondeur.Apllication à
l’archéologie.Dunod
Lagabrielle R. 1998. Géophysique appliquée au genie civil, Techniques de
l’Ingénieur, l’Ingénieur, Paris, 19p
Lavergne M., 1986 .Méthodes sismiques, Editions Technip et Institut Français du Pétrole Magnin, O & Bertrand , Y .2005. Sismque refraction.Les cahiers de l’AGAP,2
.LCPC Editions .Paris, 91p
Mari J.L., Arens G., Chapelier D., Gaudiani P., 1998. Géophysique de Gisement et de Génie Civil, Editions Technip Mukadi Kamayi.1984. Kamayi.1984. Contribution à la reconnaissance des milieux superficiels
par sismique réfraction à l’aide des ondes de distorsion et de l’atténuation des ondes
de compression Thèse de de doctorat doctorat de 3e cycle Uni .Bordeaux 1.France.
Muraour.P .1970. Eléments de géophysique marine .Masson Ed., Paris 28
1717 1818 19 20
Palmer D., .1986. Refraction seismic, Geophysical Press, 13 Panciroli .F et Arnaud .M.1969 .Nouvelle méthode de restitution d’un horizon
réfracteur par sismique réfraction. Geophysical prospecting 17 n°2
Peraldi .R. 1969. Contribution du traitement numérique à l’analyse
et à
l’interprétation l’interprétation des enregistrements enregistrements réfraction. réfraction. Geophysical Geophysical prospecting prospecting 17 n°2
Seguin.j. 1979.La géophysique et les propriétés physiques des roches .Les presses de l’Université Laval. , Québec
29
