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La sismique réflexion haute résolution : principes et applications Décembre 199

La sismique réflexion haute résolution : principes et applications Décembre 1996 R 39220 La sismique réflexion haute résolution :principes et applications La sismique réflexion haute résolution : principes et applications A. Bitri, J. Perrin, A. Beauce Décembre 1996 R 39220 E - - - Happort BRGM R39220 BRGM .-" ." ... w w ,.mm La sismique réflexion haute résolution : principes et applications Mots clés : Géophysique, Sismique haute résolution. En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : A. Bitri, J. Perrin, A. Beauce (1996) - La sismique réflexion haute résolution : principes et applications. Rap. BRGM R 39220, 59 p., 28 fig., O ann. O BRGM, 1996, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du BRGM. Rapport BRGM R 39220 La sismique réflexion haute résolution :principes et applications Synthèse Dans le cadre du projet S09 de la Direction de la Recherche, une étude bibliographique est menée pour définir le champ d'application de la sismique haute résolution. Dans un premier temps, les définitions et les concepts de base de cette méthode sont présentés, tels que les résolutions verticales et latérales, l'atténuation et l'absorption des ondes sismiques, le phénomène d'aliasing spatial et les coefficients de réfiexion. L'acquisition sismique est ensuite abordée : on y dresse un inventaire des sources et des détecteurs sismiques couramment utilisés en sismique haute résolution. Des règles simples de choix des paramètres d'acquisition destinées à améliorer la précision des résultats sont également fournies. Ensuite on expose le traitement sismique conventionnel, qui repose sur l'hypothèse d'un milieu à couches planes horizontales. Chaque étape du traitement sismique est illustrée par des exemples réels. Le dernier point est consacré aux applications de la sismique haute résolution en géologie, hydrogéologie, génie civil et dans le domaine minier. Des exemples sur cas réels précisent sa contribution dans la connaissance du milieu investigué et démontrent la nécessité de son utilisation. Rapport BRGM R 39220 La sismique réflexion haute résolution : principes et applications Sommaire ........................................................................................................................ Introduction 7 . . . 1 . Definitions et notations .................................................................................................. 9 ....................................................................................................... 1.1. Collection de traces 9 1.2. Système de coordonnées ............................................................................................... 9 . . 2 . Le pouvoir de résolution sismique .............................................................................. 11 2.1. Résolution verticale ..................................................................................................... 11 2.2. Résolution latérale ....................................................................................................... 12 3 . Atténuation et absorption des ondes sismiques ......................................................... 14 . . ............................................................................................................. 4 . Aliasing spatial 16 5 . Coefficient de réflexion ................................................................................................ 19 ... . . .................................................................................................... 6 . Acquisition sismique 21 . . 6.1. La source slsmque ...................................................................................................... 21 . . 6.2. Le détecteur sismique .................................................................................................. 22 . . . 6.3. Les paramètres d'acquisition ....................................................................................... 24 . . 7 . Traitement sismique ..................................................................................................... 27 7.1. Correction statique ...................................................................................................... 27 7.2. Correction dynamique et analyse de vitesse ................................................................ 29 7.3. Etirement du signal lors des corrections dynamiques ................................................. 30 . . 7.4. Corrections statiques residuelles ................................................................................. 32 ..................................................................................................................... 7.5. Migration 33 4 Rapport BRGM R 39220 La sismique réflexion haufe résolufion : principes et applications S. Applications de la sismique haute résolution .. 7 8.1. Applications géologiques 7 8.2. Détection des cavités souterraines 1 . . . .. 8.3. Applications m e r e s ................ ........ . ..... , , ........ ..... ............. . ............. . . , .... 45 8.4. Applications hydrogéologique 7 Conclusio 9 . . Bibliographie ............. . . . . . . ... ..., ,..., , ., ,.. , ... . . ..., ,...,. , . .. 1 Liste des figure 5 Liste des tableaux ..... ......................................................................... 59 Rapport BRGM R 39220 La sismique réflexion haute résolution : principes et applications Introduction La sismique réflexion est une méthode d'exploration qui consiste à effectuer des ébranlements dans le sol et à observer en surface les ondes réfléchies. La profondeur de pénétration varie de quelques mètres à plusieurs dizaines de kilomètres et le pouvoir de résolution est généralement très satisfaisant. Depuis une dizaine d'années, l'utilisation de la sismique haute résolution pour des faibles profondeurs fait l'objet d'un nombre de publications et de tests d'applications croissant d'année en année. Les succès de cette méthode en génie civil, en hydrogéologie et dans le domaine minier sont dûs principalement aux développements de systèmes d'acquisition portables ayant une dynamique satisfaisante, c'est-à-dire capable de prendre en compte à la fois les signaux les plus forts et les signaux les plus faibles avec une précision suffisante. L'avantage de la sismique réflexion par rapport aux autres méthodes géophysiques réside principalement dans son pouvoir de résolution. Ce dernier dépend de la longueur d'onde dominante du signal généré par la source sismique. Le développement de sources capables de générer des signaux énergétiques de très hautes fréquences ont augmenté considérablement la résolution de la sismique réflexion au cours des dix dernières années. Les exemples d'application de cette méthode à travers le monde dans des domaines variés (géologie, hydrogéologie, génie civil, minier) montrent bien son apport spécifique et la nécessité de son utilisation. Rapport BRGM R 39220 La sismique réflexion haute résolution :principes et applications 1. Définitions et notations Afin d'associer un concept précis à chacun des termes couramment utilisés en sismique, quelques notations et définitions sont introduites dans ce chapitre. 1 .l. COLLECTION DE TRACES Nous appellerons collection ou "gather" un ensemble de traces regroupées par l'une de leurs caractéristiques communes (fig. 1). a CSG : collection en points de tir commun b CRG : collection en récepteur commun c CMP : collection en point milieu commun d CDP : collection en point miroir commun 1.2. SYSTEME DE COORDONNEES La figure 2 représente la disposition du système de coordonnées couramment utilisés en sismique. On définit par : S : l'axe des sources G : l'axe des géophones g+s Y : l'axe des points milieux y = - 2 L ? - s H : l'axe des déports (ou offsets) h = - 2 Rapport BRGM R 39220 La sismique réflexion haute résolution : principes et applications Collection en Point de Tir Commun CoUection en Récepteur Commun a CoikcIrion e n Point Milieu Commun Collection e n PointMimir Commun Fig. 1 - Collection de traces utilisées en sismique réfexion. Fig. 2 - Système de coordonnées en sismique réflexion. Rapport BRGM R 39220 La sismique réflexion haute résolution :principes et applications 2. Le pouvoir de résolution sismique Par pouvoir de résolution, on entend la possibilité de séparer deux événements. Deux types de résolution sont considérés : la résolution verticale et la résolution horizontale. Ces deux types de résolution sont contrôlés par la bande du spectre émise par la source et reçu par les géophones. La mesure de la résolution verticale est la longueur d'onde dominante; elle est définie par le rapport entre la vitesse de propagation et la fréquence dominante. La déconvolution augmente la résolution verticale en compressant le signal (Yilmaz, 1987). La mesure de la résolution horizontale est la zone de Fresnel qui dépend de la profondeur du réflecteur, la fréquence et la vitesse de propagation au-dessous du réflecteur. La migration augmente la résolution horizontale en diminuant la zone de Fresnel (R. Rarnananantoandro, 1995). 2.1. RESOLUTION VERTICALE La longueur d'onde dominante d'une onde sismique est donnée par la relation : avec v : la vitesse de propagation de l'onde f: la fréquence dominante L'épaisseur minimale d'une couche dont on peut distinguer séparément le toit et le mur est la limite de cette résolution. L'expérience montre qu'elle est de l'ordre de M4. Cette valeur dépendra du rapport signalhruit et des coefficients de réflection dans le sous-sol. Le tableau 1 montre les valeurs de cette limite pour différentes vitesses et des fréquences dominantes variées. Tub. I - Limite de la résolution verticale. Rapport BRGM R 39220 La sismique réflexion haute résolution : principes et applications Par exemple, pour une réflexion peu profonde avec une vitesse 3000 m/s et de fréquence dominante de 50 Hz, cette limite est de l'ordre de 15 m. Ainsi une couche plus fine que 15 m ne peut pas être distinguée dans ce cas. Ce tableau montre clairement que la résolution verticale peut être améliorée en augmentant la fréquence dominante du signal des données acquises. Cette fréquence dépend des propriétés physiques du sous-sol, de la source et des géophones utilisés pour l'acquisition. Les propriétés physiques du sous- sol ne pouvant être modifiées, l'effort doit être reporté sur les paramètres d'acquisition (source, géophones) et le traitement (filtres, corrections statiques, NMO, etc ...) qui seront expliqués plus avant dans ce rapport. 2.2. RESOLUTION LATERALE Par résolution latérale, on entend la possibilité de séparer latéralement deux points voisins du sous-sol. La mesure de cette résolution est la zone de Fresnel. La figure 3 décrit une onde sphérique qui se propage dans un milieu à vitesse v. Soit AA' un réflecteur dans le sous-sol, considéré comme une suite de points diffractants. Dans une acquisition source-géophones confondus, le temps d'amvée de l'énergie du point O du réflecteur au géophone est Après un avancement du front d'onde de U4, les énergies provenant des points A et A1 sont reçues au temps tl Tous les points se trouvant dans un disque de rayon OA uploads/Philosophie/ rr-39220-fr.pdf