Tomographie de sismique réfraction

La Tomographie de Sismique Réfraction (TSR) est l’une des méthodes de prospection sismiques actives appliquées au sub-surface. Ces dernières, utilisent une source d’ébranlement générée par un coup de marteau sur une plaque métallique. De l’énergie en forme d’ondes élastiques est produite à la source (Choc de marteau sur une plaque métallique, chute de poids, explosif, etc.), les ondes se propagent à l’intérieur du sous sol et les vibrations induites sont ainsi enregistrées par des capteurs placés à différentes distances de la source (Figure 3.10). Le dépouillement et l’analyse des enregistrements permettent d’étudier la structure et la nature du sous-sol. On peut ainsi avec cette méthode déterminer la vitesse sismique de différentes couches à signature sismique différente et leur épaisseur. Cela permet de distinguer la roche compacte du terrain meuble, la roche compacte et la roche altérée, les zones fracturées dans une roche saine, le niveau de la nappe phréatique (Telford et al. 2004).

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Le mode d’acquisition des données sismiques consiste à enregistrer grâce à des géophones les signaux émis par une source artificielle et transmis dans le sol puis réfléchis ou réfractés au niveau des interfaces entre deux milieux de vitesses sismiques différentes. Nous décrivons explicitement ci-dessous les fondements physiques et le processus de traitement des données de la tomographie sismique basée sur le dépouillement des premières arrivées appliquées à Kettara.

Figure 3. 10 Schéma simplifié des trajets des principales ondes sismiques et domochroniques

correspondantes  Mise en œuvre de la TSR à Kettara

Quatre profils de tomographie sismique ont été réalisés au niveau du parc à rejets miniers de Kettara (Figure 3.11). L’équipement utilisé est de type (Figure 3.12):

 Sismographe Strata-Vizor NZ24 de Geometrics Inc.  48 géophones verticaux de 40 Hz. (Marc, Inc.)  2 lignes sismiques avec 24 connections chacune

 Source sismique (marteau à 8 kg de masse) et des connecteurs et matériel auxiliaire. Les caractéristiques des profils TSR réalisés sont résumées dans le tableau 3.1 Nous schématisons, à titre d’exemple sur la figure 3.13, l’emplacement des géophones et points de

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tirs adopté pour le profil TSR1. Les coordonnées GPS de chaque géophone ont été prises lors du levé topographique réalisé pendant cette campagne.

Figure 3. 11 Carte d’emplacement des profils sismiques réalisés

Tableau 3. 1 Caractéristiques des profils sismiques réalisés

Profil Espacement entre géophones (m) Longueur (m) Nombre de tirs Nombre de géophone

TSR0 0,5 47,5 50 96

TSR1 5 235 25 48

TSR2 3 141 25 48

TSR3 5 115 13 24

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Figure 3. 12 (a) Appareillage utilisé en tomographie sismique, (b) Photo montrant l’emplacement des géophones au niveau de la ligne sismique

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Figure 3. 13 Emplacement des géophones et points de tirs pour le profil TSR1

 Traitement des données de la TRS

La tomographie des temps de premières arrivées cherche à estimer un modèle de vitesse de propagation des ondes sismiques à partir de ces temps pointés sur les sismogrammes (Kuniansky 2005). Elle est basée sur la théorie des rais (Cerveny and Soares 1992) et la résolution numérique de l’équation de l’eikonale (Watanabe et al. 1999) le long d’un trajet donné. Cette méthode consiste à discrétiser le sous-sol en un réseau de cellules où chacune est caractérisée par une vitesse de propagation sismique. A partir d’un modèle de vitesse initial, on ajuste les vitesses de chaque cellule par itérations successives afin d’obtenir le modèle le plus cohérent avec l’ensemble des temps de parcours source-géophone. Les données utilisées sont les temps de trajet des premières ondes qui arrivent aux géophones : ce sont les ondes de compression (onde P). Tout d’abord, à proximité de la source, les premières ondes arrivées sont les ondes directes. Puis, en s’éloignant de la source, les premières arrivées sont les ondes réfractées, car dans la plupart des cas, les couches sont plus rapides en profondeur. Dans cette configuration, plus la distance source-récepteur est grande, plus on a accès à des informations profondes.

Le logiciel d’inversion commercial Rayfract crée un modèle 2D de vitesse sismique qui tentera au mieux de reproduire les temps de trajets des ondes mesurées, appelés pointés (car c’est l’utilisateur qui pointe les premières arrivées sur les sismogrammes). La méthode de calcul direct utilisé est la propagation d’ondes par volumes de Fresnel, à travers l’algorithme "Wavepath Eikoanl Traveltime tomography (WET)" (Lecomte et al. 2000). Un critère de validité du modèle obtenu est l’erreur entre les données observées et calculées (RMS) (Figure 3.14).

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Figure 3. 14 Schéma montrant le principe d’inversion par Rayfract

Les données acquises ont été traitées par le logiciel RayFract (V 3.18, Intelligent Ressources Inc.) lors de mon séjour de recherche au Laboratoire de Géophysique Appliquée de l’IAGA, Granada dans le cadre de l’action intégrée A/025780/09. Dans un premier temps, nous avons tout d’abord visualisé sur la pseudo-section les données GPS de chaque géophone. Ensuite, on fait la lecture des premières arrivées de chaque tir on ignorant parfois la lecture floue pour certaines traces sismiques. Dans un deuxième temps, nous avons établi les graphiques Distances-Temps (Figure 3.15) pour élaborer le modèle initial (vitesse, profondeur) à intégrer dans le logiciel RayFract. Ensuite, nous avons calculé le modèle Vp(x, z) de la pseudo-section à partir du modèle initial préalablement élaboré. Pour itération, la comparaison des temps calculés à ceux mesurés est effectuée, la différence entre les deux temps permet de modifier la valeur des vitesses sismiques en chaque maille et d’en générer un modèle 2D. Ce processus itératif est arrêté quand on obtient une erreur RMS tolérée.

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