Transcript Imagerie sismique réflexion et réfraction

Imagerie sismique
réflexion et réfraction
Principes et méthodes
Elia d’Acremont, ISTEP No#ons de base Principes
•
•
•
Trajet des ondes
sismiques "
Front d'onde"
Rais sismiques"
Les rais sismiques
sont toujours
orthogonaux au
front d’onde"
Principes
•
Propagation des
ondes acoustiques"
•
•
Loi de Snell-Descartes"
Conversion des ondes"
Ces lois sont celles de l’op#que 4 Onde directe
Onde directe tion
général
ion d’une onde
nell-Descartes
nt de réflexion
ecte
fractée et réfléchie
sismiques des roches
des données
´tecteurs
s
d Giroux
■
Dans un milieu homogène, les ondes sismiques enregistrées sont
1. les ondes P ;
Dans un milieu homogène, les ondes sismiques enregistrées sont:
2.1)lesOndes
ondesPS ;
3.2)lesOndes
ondesSde surface (ground roll).
3) Ondes de surface
GML6201A – Sismique réflexion - p. 8/54
Ondes et réfléchie Ondesréfractée réfractée
et réfléchie
onde
rtes
exion
réfléchie
des roches
ées
■
En présence
d’une
interface,
enregistre
également
En présence
d’un
interface,on
sont
enregistrées
également :
1) onde
Onde réfractée
réfractée ;
1. une
2) Onde réfléchie
2. une
onde réfléchie.
La sismique réflexion SOURCE
RECEPTEUR
Distance constante
La source (un canon à air le
plus souvent) émet une onde
acoustique au temps t0.
On enregistre les réflexions
de cette onde sur les
différentes « couches ».
Les trajets des rais sismiques
sont presque verticaux car la
distance source-récepteur est
faible, ET CONSTANTE.
ON PARLE DONC AUSSI DE SISMIQUE VERTICALE
La sismique réflexion SOURCE
RECEPTEUR
Distance constante
Les temps d’arrivée des
différentes réflexions
dépendent:
- De la vitesse dans les
différents milieux traversés
- De l’épaisseur des
couches traversées
La sismique réfrac#on La distance augmente
Cette fois la distance source-récepteur augmente car le bateau s’éloigne de la bouée.
Connaissance de la structure profonde: propagation des ondes P et S.
La sismique réfrac#on On enregistre
toujours les ondes
réfléchies
A partir d’une certaine distance
on enregistre des ondes
réfractées (ou coniques) qui se
propagent le long des interfaces
Vitesses sismiques des roches
Exemple de vitesses sismiques des roches éral
d’une onde
Descartes
e réflexion
tée et réfléchie
iques des roches
données
eurs
Giroux
Nature des terrains
éboulis, terre végétale
sable sec
sable humide
argiles
marnes
grès
calcaires
craie
sel
anhydrite
dolomie
granite
basalte
charbon
eau
glace
huile
Vp [m/s]
300-700
400-1200
1500-4000
1100-2500
2000-3000
3000-4500
3500-6000
2300-2600
4500-5500
4000-5500
3500-6500
4500-6000
5000-6000
2200-2700
1450-1500
3400-3800
1200-1250
Vs [m/s]
100-300
100-500
400-1200
200-800
750-1500
1200-2800
2000-3300
1100-1300
2500-3100
2200-3100
1900-3600
2500-3300
2800-3400
1000-1400
1700-1900
-
ρ [g/cm3 ]
1.7-2.4
1.5-1.7
1.9-2.1
2.0-2.4
2.1-2.6
2.1-2.4
2.4-2.7
1.8-2.3
2.1-2.3
2.9-3.0
2.5-2.9
2.5-2.7
2.7-3.1
1.3-1.8
1
0.9
0.6-0.9
GML6201A – Sismique réflexion - p. 10/54
SISMIQUE REFLEXION: Visualisa'on des données Sismique réflexion
Acquisi'on On enregistre les ondes P qui se réfléchissent avec un angle d’incidence sub-­‐ver#cal sur les différents interfaces du sous-­‐sol. ONDE DIRECTE Représenta'on graphique La sismique réflexion donne une image de la réflec#vité du sous-­‐sol en fonc#on du temps. ONDES REFLECHIES TRACES SISMIQUE Interpréta'on On visualise sur une sec#on sismique la géométrie d’interfaces séparant deux milieux d’impédances acous#ques différentes. CeEe image est déformée par rapport à une coupe profondeur: il faut connaître les vitesses de propaga#on des ondes P dans le sous-­‐sol, pour transformer la coupe temps en une coupe profondeur plus proche de la réalité géologique. Coupe en temps On obtient ce qui ressemble à une « coupe » géologique
Attention !
L’échelle verticale est le
temps d’aller-retour des
ondes: on parle de
secondes-temps-double.
Pour trouver la profondeur
d’un interface il faut donc
diviser le temps par 2.
Coefficient de rde
éflexion Coefficient
réflexion
■
e onde
artes
exion
t réfléchie
s des roches
nées
■
Pour une incidente normale à l’interface entre deux unités,
l’amplitude de l’onde réfléchie est donnée par le coefficient de
réflexion
V2 ρ2 − V1 ρ1
.
(2)
R=
V2 ρ2 + V1 ρ1
La polarité de l’ondelette est inversée si l’impédance de la couche
inférieure est plus faible (V2 ρ2 < V1 ρ1 ).
Fréquence et longueur d’onde du signal
nées
Longueur d’onde Longueur
d’onde
■
■
Le signal mesuré est une ondelette, de fréquence dominante f
donnée (bande passante donnée) ;
Pour une vitesse de propagation V donnée, la longueur d’onde est
λ = V /f ;
Longueur d’onde (m)
ection
Fréquence
Vitesse (m/s)
(Hz)
1000
2000
3000
4000
5000
1
1000
2000
3000
4000
5000
40
25
50
75
100
125
100
10
20
30
40
50
500
2
4
6
8
10
La résolution verticale
Pouvoir de résolution
vertical
• Capacité de séparer deux horizons proches en profondeur • Fonc>on de λ: λ=V/f • Epaisseur minimale λ/4 • Perte des hautes fréquences avec la profondeur, diminu>on de la résolu>on La résolution verticale
λ=20 m λ=10 m f=75 Hz f=150 Hz La résolution verticale
Profondeur
Fréquence
Vitesse de
d’investigation
prépondérante
propagation
Longueur
d’onde λ
Résolution
0-500 m
~100 Hz
~2000 m/s
~20 m
~5 m
2-3 km
~40 Hz
~3000 m/s
~75 m
~20 m
8-10 km
~20 Hz
~4000 m/s
~200 m
~100 m
La résolution horizontale
Pouvoir de résolution
Horizontale
• Fonc>on de l’espacement des points éclairés • Fonc>on de λ: Zone de Fresnel = por>on de réflecteur d’où l’énergie est réfléchie pareillement. Deux por>ons d’un réflecteur séparé par une distance inférieure à la largeur de la zone de Fresnel ne pourront pas être dis>ngués. Le rayon de la zone peut être approximé par la formule R2=λh /2 Le rayon augmente avec la profondeur h et les basses fréquences Zone de Fresnel : exemples • Quatre réflecteur à 0.5, 1, 2 et 3 sec (std), chacun avec quatre par>es non-­‐
réflec>ves • Segment con>nu au lieu de trou : taille des segments non-­‐réflec>fs < à la zone de Fresnel. • Intérêt de la migra>on pour augmenter la résolu>on horizontale (énergie de diffrac>on). Résolution et détection
Résolu#on et détec#on ■
nées
■
ection
■
Pouvoir de résolution
◆ capacité de séparer en profondeur deux horizons ;
◆ de l’ordre de λ/4 à λ/2 selon la largeur de bande et le niveau
de bruit.
Pouvoir de détection
◆ la plus petite couche qui puisse donner naissance à une
réflexion ;
◆ se situe entre λ/30 et λ/10.
Résolution latérale
◆ capacité d’individualiser
latéralement deux événements ;
◆ reliée à la zone de Fresnel ;
Zone de Fresnel
■
Bref : plus la longueur d’onde est courte (et la fréquence élevée),
meilleure est la résolution.
λ/4
SISMIQUE REFRACTION: Visualisa'on des données No#ons de base Sismique réfrac#on La réfrac#on se fait selon un angle cri#que qui obéit à la loi de Snell-­‐Descartes:
sin(ic1 ) =
v1
v2
v2
sin(ic 2 ) =
v3
S
i2 = 90°
i1 = ic (incidence critique)
R
V1
ic
I2 = 90°
Onde réfractée
ou conique
V2
Objectif de la sismique
réfraction
On ob#ent non pas directement une image du sous-­‐sol mais des vitesses et des épaisseurs de couches, résolu#on plus faible. • Structure de la croûte (épaisseurs, géométrie) • « nature » des roches • Autres propriétés des roches (anisotropie, poisson, ect…) • En synergie avec MCS, gravimétrie, magné#sme, ect… Acquisition
V0 V1 V2 €
X
X/2
D
H
Pour les ondes réfléchies, la distance et le temps de parcours sont:
X 2
D (X) = ( ) + H 2
2
2
2
X
4H
T (X) = 2 + 2
v
v
2
2
C’est donc une hyperbole, dont
l’asymptote est T = X / V.
X
H tan ic1
H tan ic1
H
H / cos ic1
H / cos ic1
ic1
X - 2H tan ic1
Pour la première réfractée, le temps de parcours est :
T(X) =
€
2H
X 2H tan(ic1 )
+ −
v1 cos(ic1 ) v 2
v2
2H cos(ic1 ) X
T(X) =
+
v1
v2
C’est donc une droite, dont
la pente est 1/V2
Présentation
des données
Equations des ondes
•
•
Onde directe"
•
Onde conique"
Onde réfléchie"
Formules : récapitulatif
1er cas : Couches planes et horizontales
équation des hodochrones :
-onde directe
x
t=
V1
-onde réfléchie
1
2
2
t=
x + 4h1
V1
-onde conique (réfractée), couche 2
x 2h cosi
t= + 1
V2
V1
V
avec sini = 1 et xcritique = 2h1 tani
V2
-onde conique (réfractée), couche 3
x 2h cosi1 2h2 cosi2
t= + 1
+
V3
V1
V2
V
V
avec sini1 = 1 et sini2 = 2 et xcritique = 2h1 tani1 + 2h2 tan i2
V3
V3
2ème cas : Couche inclinée
équation des hodochrones
-sens A ! B aval
x
2h1 cosθ cosi
Troisième réfractée
⇒ V4
⇒ ic3
Deuxième réfractée
TEMPS (sec) ⇒ V3
⇒ ic2
Première réfractée
⇒ V2
⇒ ic1
⇒H
Réfléchie sur le fond
⇒ Hauteur d’eau H
Onde directe dans l’eau
⇒ échelle verticale X
Distance Source-­‐Récepteur 0 Références
■
■
nées
■
■
Keary, P. et Brooks, M. (1991). An Introduction to Geophysical
Exploration. Blackwell Scientific Publications, 2nd edition ;
Mari, J.-L., Arens, G., Chapellier, D., et Gaudiani, P. (1998).
Géophysique de gisement et de génie civil. Éditions Technip, Paris ;
Sheriff, R. E. et Geldart, L. P. (1995). Exploration Seismology.
Cambridge University Press, 2 edition ;
Yilmaz, O. (2000). Seismic data Analysis. Society of Exploration
Geophysicists ;
- Dubois J. & Diament M. - Géophysique, Cours et exercices corrigés - Editions Dunod"
"
- Lavergne M. - Méthodes Sismiques - Ed. Technip"
"
-Larroque C. & Virieux J. - Physique de la Terre Solide Observations et Théories - Ed. SGF"
- Daniel JY et al. - Problèmes résolus de Sciences de la Terre et de l'Univers - Edition Vuibert."
(Attention le schéma p:117 est faux, les flèches pour les ondes directe et conique sont inversées)"
"
- Bernard Giroux- Sismique réflexion- Ecole polytechnique de Montréal"