Le mod`ele initial - Imagerie sismique à deux dimensions des milieux visco-élastiques par inver

2.4.1 Mod`ele cin´ematiquement compatible et saut de phase

Ecrite sous une forme linéarisée, la méthode d’inversion des formes d’ondes nécessite de partir d’un modèle initial m0 localisé dans le bassin d’attraction de la fonction coût. Ce bassin

est d’autant plus large que la fr´equence invers´ee est petite (Mulder & Plessix, 2008). Pour

les acquisitions de sismique active, les fréquences minimales générées et enregistrées avec un rapport signal sur bruit acceptable, se situent de nos jours vers 2-4 Hz, rendant impossible de commencer une inversion de formes d’ondes sans modèle suffisamment précis. On peut relier le bassin d’attraction de la fonction coût au concept de modèle cinématiquement compatible. Ainsi, si le modèle initial procure un décalage de phase inférieure à une demi-période de signal,

2.4 Le mod`ele initial

Figure _{2.4 – Schéma du principe du saut de phase. Si le déphasage entre les signaux reste} inférieur à la demi-période T /2, l’algorithme linéarisé ajustera les bonnes phases. Dans le cas contraire, l’algorithme ajustera des arches de signaux déphasées et divergera dans un minimum secondaire.

pour la fréquence considérée, alors l’approche linéarisée pourra ajuster les signaux observés et calculés sans ambigu¨ıté de phase (Figure 2.4). Si le décalage est supérieur, l’algorithme cherchera à ajuster des signaux avec un déphasage d’une ou plusieurs périodes, entraˆınant la convergence de l’algorithme vers un minimum secondaire (Sirgue, 2003). Ce phénomène s’applique pour toutes les fréquences considérées dans l’inversion et conditionne des règles de choix de fréquence (cf. partie 2.2.3). Concernant le modèle initial, il doit être suffisamment précis pour respecter cette compatibilité cinématique par rapport à la première fréquence que l’on peut considérer dans les données. Je présente ci-dessous des méthodes d’obtention d’un modèle initial pour des applications d’exploration.

2.4.2 Tomographie des temps de premi`ere arriv´ee

La tomographie des temps de première arrivée est très largement utilisée en sismologie pour produire des images lisses de la Terre (Nolet, 1987; Hole, 1992; Zelt &Barton, 1998). En uti-

lisant les temps pointés des premières arrivées des ondes, le problème inverse se formalise de manière non-linéaire dans lequel la matrice des dérivées de Fréchet est généralement explicitement construite, même si le formalisme de l’état-adjoint permet de s’en affranchir au profit de l’efficacité (Taillandier et al., 2009).

La résolution de la tomographie des temps de première arrivée est de l’ordre de la pre- mière zone de Fresnel (Williamson, 1991). Comme cette approche n’exploite que les temps de première arrivée, de très grands offsets sont nécessaires en sismique de surface pour garantir une couverture spatiale des rais dans la partie profonde du modèle. Pour une application sur le modèle synthétique du BENCHMARK BP 2004, Brenders & Pratt (2007c) montrent que

l’utilisation d’une tomographie des temps de première arrivée avant une inversion de formes d’ondes acoustique nécessite de basses fréquences (0.5 Hz) et un dispositif d’acquisition de 16 km. Malgré ces conditions, seule la partie superficielle du modèle peut être imagée. Les applications sur données réelles présentées dans Ravaut et al. (2004); Operto et al. (2006); Malinowsky

&Operto (2008) montrent le processus d’imagerie commen¸cant avec la tomographie des temps de premi`ere arriv´ee puis l’inversion de formes d’ondes acoustiques.

Les limitations de cette méthode sont les suivantes : la nécessité de pointer les temps, ce qui peut se révéler délicat lorsque le modèle présente des anomalies de vitesses lentes (Prieux et al., 2009) ; l’obtention du modèle VP seul dans le cas de sources explosives ; la nécessité d’utiliser

des sources générant des ondes S pour imager VS; et la nécessité d’utiliser des dispositifs très

grands offsets pour obtenir une couverture des rais suffisante dans la partie profonde du mod`ele.

2.4.3 L’inversion dans le domaine de Laplace

Récemment proposée par Shin&Cha (2008), l’inversion dans le domaine de Laplace se veut une méthode de choix pour la construction de modèles de départ pour l’inversion des formes d’ondes. La méthode utilise comme données, les champs d’ondes aux récepteurs transformés dans le domaine de Laplace. Cette transformation est équivalente à la fréquence nulle de la transformée de Fourier d’un signal temporel amorti par une exponentielle décroissante :

L(γ) = Z _+∞ 0 f (t)exp−γ(t)dt ⇔ F (ω + iγ) = Z _+∞ −∞

f (t)exp−γ(t)exp−iωtdt avec

ω = 0

f (t) = 0 _{∀t < 0,} (2.28) où L(γ) est la transformée de Laplace du signal temporel f (t) pour le coefficient de Laplace γ. Le champ d’ondes L(γ) dans le domaine de Laplace est à valeur réelle.

Cette méthode permet de reconstruire les grandes longueurs d’ondes du milieu en utilisant les formes d’ondes (théoriquement les nombres d’ondes nuls). Cependant, les forts coefficients d’amortissement γ des exponentielles mis en jeu pour la stabilité de transformée de Laplace engendrent une focalisation des données utilisées proche de la première arrivée (Shin & Cha, 2008). Utilisant une information très proche de la tomographie des temps de première arrivée, on ne peut donc pas s’attendre à une qualité d’image très différente, d’autant que, si la méthode n’utilise pas explicitement de pointés de la première arrivée, elle nécessite tout de même de la localiser précisément pour appliquer un mute avant cette arrivée, afin de supprimer le bruit pour le calcul de la transformée de Laplace de manière stable.

Cette méthode possède l’avantage de pouvoir s’utiliser très facilement à partir d’un algorithme d’inversion de formes d’ondes en fréquence, en utilisant une fréquence à partie réelle nulle et à partie imaginaire non-nulle.

Des résultats impressionnants ont pu être obtenus avec cette méthode pour la reconstruction du paramètre VP sous l’approximation acoustique, pour des applications synthétiques par Shin

& Cha (2008); Lee et al. (2008); Shin & Ha (2008); Pyun et al. (2008a) et sur des donn´ees r´eelles du Golf de Mexico par Shin & Cha (2008); Shin & Ha (2008) dans une zone avec un

corps de sel. Pyun et al. (2008b) ont montré une application 3D élastique de l’inversion en domaine de Laplace sur le modèle synthétique SEG/EAGE Salt. Cependant, peu de détails ont

2.4 Le mod`ele initial

Figure_{2.5 – Résultats d’inversion élastique dans le domaine de Laplace pour une section 2D} du modèle SEG/EAGE Salt. Les panneaux (a) et (c) représentent les vrais modèles VP et VS.

Les panneaux (b) et (d) repr´esentent les mod`eles reconstruits pour VP et VS.

été publiés sur la robustesse de l’approche pour la reconstruction de deux paramètres de vitesse en utilisant uniquement une information d’amplitude localisée proche de la première arrivée.

La Figure 2.5 montre les résultats d’un test d’inversion élastique dans le domaine de Laplace que j’ai mené dans une coupe 2D du modele SEG/EAGE Salt. Le modèle VS a été généré avec

un coefficient de Poisson constant de 0.24 (modèle terrestre sans eau). Les données de référence ont été calculées avec le même algorithme que celui utilisé pour l’inversion. L’inversion est menée en supposant que la signature de la source est connue. Les modèles de départ sont des gradients de vitesses pour les deux modèles. 88 points sources verticaux sont enregistrés par 88 capteurs deux composantes sur une distance de 15 km. La surface libre est considérée dans ce test. 27 coefficients de Laplace γ ont été inversés séquentiellement de fa¸con décroissante entre 10 et 0.4. Les champs d’ondes sont très vite amortis en amplitude avec l’offset dans le domaine de Laplace, c’est pourquoi Shin & Cha (2008) utilisent une fonction coût logarithmique (cf. partie 2.5.1) qui compense cet effet de décroissance. Dans ce test, j’ai utilisé une fonction coût L2 normalisée par les données observées (Mulder &Plessix, 2008) :

C(m) = 1₂ nXdata i=1 ∆d2_i d2 obsi , (2.29)

qui compense l’effet de la forte décroissance d’amplitude, comme le fait la fonction logarithmique. Les résultats montrent des modèles encourageants pour ce cas synthétique idéal. Cepen- dant, d’autres tests ont montré une grande sensibilité de la méthode au choix des coefficients de Laplace et au type de source. La robustesse de l’approche pour des applications plus complexes et des données réelles déterminera si cette méthode peut être envisagée pour construire des modèles de départ pour plusieurs paramètres.

2.4.4 Inversion de la phase de premi`ere arriv´ee

En utilisant toujours l’information de la première arrivée, un algorithme d’inversion de formes d’ondes en fréquence peut être utilisé pour inverser la phase de la première arrivée en utilisant des fréquences complexes. La partie réelle représente la fréquence de propagation

tandis que la partie imaginaire représente le coefficient de l’exponentielle décroissante appliquée en temps (Min&Shin, 2006; Effelsen, 2009). Cette approche est très proche de la tomographie des temps de première arrivée, utilisant une information quasi-identique. Notons tout de même que la prise en compte d’une fréquence réelle permet de lier cette méthode à la tomographie par fréquence finie (Montelli et al., 2004).

2.4.5 La st´er´eo-tomographie

L’imagerie par stéréo-tomographie est fondée sur l’inversion des temps d’arrivée d’événe- ments localement cohérents, pointés sur des collections de sismogrammes triés en sources et récepteurs communs (Lambaré, 2008). Cette méthode permet de prendre en compte les arrivées réfléchies, réfractées, qu’elles soient de polarisations P-P ou P-S. Ainsi, des images des modèles de vitesse d’ondes P et S peuvent être construits. Des applications sur données synthétiques et réelles sont présentées dans Billette & Lambaré (1998); Alerini et al. (2002); Billette et al. (2003).

2.4.6 Conclusions

La construction d’un modèle de départ de qualité pour l’inversion des formes d’onde est un problème crucial qui détermine la réussite ou l’échec du processus d’imagerie. Les méthodes mentionnées ci-dessus sont des outils possibles, ayant chacun des avantages et des inconvénients. Notons que, dans la perspective d’inversion de formes d’ondes élastiques, seules une tomographie des premières arrivées d’ondes S (si la source génère des ondes S), l’inversion dans le domaine de Laplace (si elle se révèle stable et robuste) et la stéréo-tomographie permettent d’obtenir un modèle de départ pour les vitesses VS.

La problématique de la détermination du modèle de départ est un problème ouvert qui motive, à l’heure actuelle, de nombreux travaux dans les équipes de recherche académiques et industrielles.

Dans le document Imagerie sismique à deux dimensions des milieux visco-élastiques par inversion des formes d'ondes : développements méthodologiques et applications (Page 107-111)