Définitions générales

2.1.1 Stratégies de pointé manuel ... 10 2.2 Techniques de pointé automatique ... 12 2.3 Méthodes reposant sur les calculs d’énergie dans le domaine

temporel ... 14 2.4 Les méthodes d'analyse dans le domaine fréquentiel ou

temps-fréquence (échelle) ... 19 2.5 Les méthodes d'analyses basées sur des propriétés statistiques .. 19 2.6 Méthodes basées sur les approches autorégressives (AR) ... 21 2.7 Les méthodes basées sur l'analyse du mouvement des

particules (polarité de l'onde sismique) ... 22

2.1 Définitions générales

Tout d’abord, il est nécessaire que l’on mette en place une définition satisfaisante de la première arrivée sismique. Classiquement, elle est définie par le premier départ notable (first kick) de l’impulsion sismique émergeant du bruit de fond (Hatherly, 1982).

Dans l'exploration sismique, le pointé des débuts de phases sismiques est une tâche à effectuer le plus précisément possible pour un nombre considérable de traces, souvent supérieur à plusieurs milliers. En général, ces arrivées sont associées à l’énergie de l’onde réfractée le long d’une interface ou d’une onde directe qui se propage directement de la source vers le récepteur.

Lorsqu’il s’agit d’une source explosive, le signal est causal et le temps de première arrivée à estimer correspond au début de l’émergence du signal dans le bruit. Toutefois, pour une source vibratoire, le signal n’est pas causal du fait de la corrélation mise en œuvre dans le pré-traitement, et le temps de première arrivée à estimer est obtenu en pointant le maximum de la première ondelette. La précision de ce pointé est dégradée par la faible impulsivité de la première arrivée.

La qualité du pointé des premières arrivées est liée à la structure proche surface, au type de la source, et au rapport de signal sur bruit (Sabbione and Velis, 2010). Diehl (2008) a signalé que la forme de l’ondelette sismique peut être aussi affectée par d’autres facteurs comme par exemple : la dispersion, l’atténuation, la diffusion, l’interférence avec d’autres phases, et les caractéristiques du système d’enregistrement.

Chapitre 2.

10

En cas d’enregistrements (locaux et régionaux) de haute fréquence, la superposition de ces composantes peut conduire à des formes d'ondes très complexes.

2.1.1 Stratégies de pointé manuel

En général, une phase sismique est identifiée par l’une de deux observations visuelles :

• Un changement considérable en amplitude : l’amplitude dépasse le bruit de fond pendant un certain temps. Ceci peut également être désigné comme une modification du rapport signal sur bruit basé sur l’amplitude (ARSB). Sur ce principe, une phase sismique peut être déterminée si son amplitude est supérieure au bruit par au moins un facteur de 1.5 (i.e., ARSB ≥ 1.5) (Diehl, 2008). La Figure 2.1a représente un exemple typique d’une première arrivée caractérisée par un changement de l’ARSB.

• Un changement soudain du contenu fréquentiel : un changement de la fréquence dominante indique l’arrivée d’une phase sismique. Cette observation peut être référée comme un changement dans le rapport signal sur bruit reposant sur la fréquence (FRSB). Contrairement à l’ARSB, il est souvent beaucoup plus difficile à quantifier visuellement.

Par ailleurs, les fréquences dominantes du bruit et du signal peuvent parfois être très similaires. Mais le FRSB peut aider à déterminer la position approximative d’une phase sismique, surtout pour des grandes fenêtres temporelles (Diehl, 2008). La Figure 2.1b représente un exemple typique d’une première arrivée localisée par un changement du FRSB.

Une fois la phase sismique reconnue par l’un de ces critères (ARSB ou FRSB) ou, plus vraisemblablement, par une combinaison des deux, le début de l’ondelette de la première arrivée doit être pointé le plus précisément possible dans cette zone de transition. Cependant, sa position n’est pas complètement indépendante de l’incertitude de l’observation visuelle (i.e., de la détermination de la zone de transition). En outre, l’identification de cette zone en basant sur l’inspection visuelle de l’ARSB et de la FRSB est à la fois assez subjective et fortement dépendante de la fenêtre temporelle utilisée, ainsi que de la mise à l’échelle de l’amplitude (Diehl, 2008). Dans ce contexte, le temps absolu d’une arrivée sismique est difficile à déterminer. Souvent, il est même impossible de mettre en place une définition robuste d’une arrivée pour un signal sismique à bande de fréquence limitée, et échantillonné en présence de bruit. Par conséquent, un pointé cohérent de ce début ne peut être réalisé que d’un point de vue probabiliste (Figure 2.1).

2.1. Définitions générales

11 Figure 2.1. Approche du pointé d’un point de vue probabiliste (d’après Diehl, 2008):

le plus tôt choix possible correspond à 𝑡𝑡_𝐸𝐸, le plus tard choix possible correspond à 𝑡𝑡_𝐿𝐿. Le temps de la première arrivée la plus probable se trouve dans cet intervalle (i.e., compte tenu de l’apparition d’une phase sismique en fonction probabiliste 𝑃𝑃_𝑎𝑎, le temps d’arrivée est exprimé par le temps le plus probable 𝑡𝑡_𝐴𝐴, c.-à-d. avec 𝑃𝑃_𝑎𝑎(𝑡𝑡_𝐴𝐴) = max (𝑃𝑃_𝑎𝑎).

D’autre part, la probabilité d’apparition 𝑃𝑃_𝑎𝑎(𝑡𝑡_𝐸𝐸) et 𝑃𝑃_𝑎𝑎(𝑡𝑡_𝐿𝐿) se rapproche de zéro) (Diehl, 2008).(a). Stratégie du pointé fondée sur l’attribut de l’amplitude (ARSB). (b).

Stratégie du pointé fondée sur l’attribut de la fréquence (FRSB).

Chapitre 2.

12

D’une part, au point de vue physique, le mouvement des particules du sous-sol augmente progressivement lorsque la perturbation des ondes sismiques arrive (Ricker, 1953), et le bruit de fond peut submerger la première partie d’ondelette sismique et retarder son apparition (Hatherly, 1982). D’autre part, d’un point de vue pratique, pour un tir sismique d’une source active, les pics/creux ultérieurs dans le même train d’onde de première arrivée sont plausiblement plus forts après un certain offset. Par conséquent, il est parfois utile d’inspecter le signal rétrospectivement pour estimer le temps précis de la première arrivée (Milsom and Eriksen, 2011, p. 201). Cependant, parce que les hautes fréquences sont sélectivement absorbées par le sous-sol (Futterman, 1962), l’intervalle temporel entre la première arrivée et un pic/creux ultérieur augmente progressivement avec l’offset.