GLQ3205 Géophysique appliquée 2 Méthodes sismiques 2: Sismique réfraction Gabriel Fabien-Ouellet gabriel.fabien-ouellet@polymtl.ca Été 2019 Plan du cours 1. Révision 2. Étude de cas 3. Matériel d acquisition 4. Rai sismique 5. Couches horizontales 6. Couches inclinées 7. Corrections et limitations 1
Révision Propagation sismique On applique brusquement une large force sur le sol. Cette force fera varier les contraintes dans le sol, ce qui provoquera des déformations momentanées du volume de sol à proximité. Ces déformations peuvent être mesurées par le déplacement d une surface. Comment varient contraintes, déformations et déplacements dans l espace et le temps? https://teara.govt.nz/en/photograph/9759/seismic-survey 2
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Révision Propagation des ondes Viscoélastique (avec atténuation) Élastique (sans atténuation) 5
Étude de cas 6
Étude de cas Problématique Les changements climatiques nous forcent à trouver de multiples solutions afin de réduire nos émissions. Le stockage géologique du carbone fait partie des solutions envisagées. 7
Étude de cas Problématique Lorsqu on injecte du CO2 dans le sol, on espère qu il restera emprisonné en profondeur. Objectif: Faire le suivi de l injection de CO2 dans le temps, afin de s assurer que le panache ne migre pas en surface. 8
Étude de cas Propriété géophysique La saturation en CO2 est directement reliée à la vitesse Vp et à l atténuation Qp des ondes P (Lumley, 2010) (Xue et al., 2006) Vp Qp 9
Étude de cas Méthode géophysique: Suivi temporel Les levés sismiques entre forages peuvent être utilisés pour faire le suivi de l injection de CO2 (Lumley, 2010) (Xue et al., 2006) Vp Qp 10
Étude de cas Méthode géophysique: Suivi temporel Exemple de site d injection Ketzin en Allemagne 11
Étude de cas Acquisition des données Exemple de données dans le temps obtenu au site d injection Ketzin. 12
Étude de cas Traitement des données Exemple de données dans le temps obtenu au site d injection Ketzin. 13
Étude de cas Recherche: vers l inversion de formes d onde Peut-on retrouver les vitesses et les facteurs d atténuation à plus haute résolution en utilisant l inversion de forme d ondes? 14
Étude de cas Recherche: vers l inversion de formes d onde Voici les propriétés qui pourraient être retrouvées grâce à la tomographie par tracé de rais. 15
Étude de cas Recherche: vers l inversion de formes d onde Voici les propriétés qui pourraient être retrouvées grâce à l inversion de forme d onde. 16
Étude de cas Recherche: vers l inversion de formes d onde Comparez au modèle vrai qui devrait être retrouvé. 17
Étude de cas Recherche: vers l inversion de formes d onde L erreur après inversion est assez faible, moins de 5 % pour les vitesses. 18
Étude de cas Recherche: vers l inversion de formes d onde L inversion de formes d onde permet de reproduire fidèlement les données mesurées et donc utilise l ensemble des informations sismiques! Modèle vrai Modèle initial Modèle inversé 19
Étude de cas Recherche: vers l inversion de formes d onde L inversion de formes d onde permet de reproduire fidèlement les données mesurées et donc utilise l ensemble des informations sismiques! Modèle vrai Modèle initial Modèle inversé 20
Étude de cas Résultat: suivi de l injection de CO2 Le suivi dans le temps de Vp et de Qp peut nous renseigner sur la saturation en CO2. Changements de propriétés mécaniques 21
Étude de cas Résultat: suivi de l injection de CO2 L inversion de formes d onde permet de reconstruire les variations de Qp et de Vp à très haute résolution, et donner des informations qualitatives sur la saturation en CO2. Inversion directe des saturations? 22
Matériel d acquisition 23
Matériel d acquisition Matériel de base en génie Le matériel typique comprend: Sismographe (souvent autour de 24 canaux) Géophones Source Signal de déclenchement (trigger) 24
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Matériel d acquisition Géophones Principe de fonctionnement: Un aimant est suspendu par un ressort à l intérieur d une bobine. Lorsque le sol vibre, l aimant oscille à l intérieur de la bobine, produisant une tension par induction. Le signal mesuré est donc une tension proportionnelle à la vitesse de déplacement. 26
Matériel d acquisition Géophones Le système masse-ressort est amorti afin de réduire le phénomène de résonance. Fréquence de résonance Sa réponse en fréquence est donnée par: où w0 est la fréquence propre et h est le coefficient d amortissement (mécanique et électrique) 27
Matériel d acquisition Géophones Les géophones ont une signature en phase et en fréquence, et donc ne mesurent pas exactement la vitesse de déplacement! De plus, pour les fréquences trop éloignées de la fréquence naturelle, la réponse en phase devient erratique. Il faut donc choisir la fréquence naturelle pour qu elle corresponde à la bande de fréquence du signal mesuré Différence de phase entre deux géophones de même modèle! 28
Matériel d acquisition Géophones Le couplage entre le géophone et le sol affecte aussi le signal mesuré. Obtenir un bon couplage est donc essentiel pour obtenir des données de qualité! Les géophones sont plantés dans le sol et même parfois enfouis afin d améliorer la qualité du signal! 29
Matériel d acquisition Géophones Le couplage reste un compromis: enfouir les géophones empêche une bonne productivité. Dans certains cas, un couplage gravitationnel est suffisant (par exemple sur l asphalte ou lorsqu un taux de production élevé est nécessaire) Socle pour les surfaces solides Un «landstreamer» place les géophones sur des traineaux en acier pour un taux de production élevé! 30
Matériel d acquisition Sources La source permet de générer de façon contrôlée des vibrations mécaniques du sol. Doit produire suffisamment d énergie pour se propager jusqu à la cible et revenir en surface! Doit produire un spectre en fréquence assez large Facilité de mise en oeuvre Respect de l environnement Répétabilité 31
Matériel d acquisition Sources: Masse Pour les projets en génie, souvent une simple masse qui percute une plaque en acier permet une énergie suffisante. Robuste Simple d utilisation Masse Plaque en acier Bonne plage de fréquence Énergie limitée Tôt de production limité 32
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Matériel d acquisition Source: Impacts accélérés Les sources à impacts accélérés reprennent le concept de la masse, mais l accélèrent grâce à une bande élastique. Robuste Simple d utilisation Bonne plage de fréquence Une énergie appréciable (quelques centaines de mètres en réflexion) Taux de production élevé. 34
Matériel d acquisition Sources: Fusil Betsy Fusil Besty: Explosion d une balle à blanc dans un trou peu profond: Meilleure puissance (mais dépend de la force des balles à blanc) Bonne plage de fréquence Tôt de production plutôt faible (nécessite de creuser un trou) Peut relâcher des produits toxiques 35
Matériel d acquisition Sources: Dynamite La dynamite est utilisée lorsqu une grande puissance est requise (de la sismique réfraction aux levés en réflexion profonds) Puissance plus ou moins illimitée Bonne plage de fréquence Nécessite des permis Tôt de production faible En dernier recours pour les projets en génie 36
Sources: Vibroseis Les sources vibrantes sont une alternative à la dynamite. Grande puissance possible Plage de fréquence ajustable Tôt de production élevé Nécessite l accès de camions encombrants Complexe à mettre en oeuvre et à traiter https://www.youtube.com/watch?v=dax4krptejs 37
Matériel d acquisition Sources: Ondes S Certaines sources sont spécialisées pour produire des ondes de cisaillement. La force appliquée est parallèle au sol. Source SH à impact Source SH vibrante 38
Matériel d acquisition Sources: Canons à air En milieu marin, les canons à air sont le type de source le plus commun: Une chambre contenant de l air est pressurisée jusqu à des pressions de 20 MPa L air est brusquement relâché ce qui cause une onde de choc dans l eau Peut être utilisé tant dans l océan que dans des rivières pour les projets en génie 39 https://www.youtube.com/watch?v=imbq4xfnyu0
Sources: Contenu en fréquence Le contenu en fréquence d une source varie souvent avec sa puissance. Des fréquences élevées sont nécessaires pour atteindre des hautes résolutions Tir à la masse (sommation) De basses fréquences se propagent sur de plus grandes distances et permettent d imager des cibles plus profondes 40 Chute de poids
Matériel d acquisition Sismographe Le signal généré par la source et détecté par le géophone est enregistré par un sismographe Numérisation du signal analogue Nombre de canaux limité Déclenche l enregistrement précisément au moment où la source est mise en action Synchronisation temporelle de tous les enregistrements 41