Étude des éboulements Étude des éboulements rocheux rocheux par méthodes géophysiques par méthodes géophysiques

(1)

Étude des éboulements Étude des éboulements

rocheux rocheux

par méthodes géophysiques par méthodes géophysiques

Thèse présentée par Thèse présentée par

Jacques Deparis Jacques Deparis

Directeurs de thèse : Stéphane GARAMBOIS - Denis JONGMANS Directeurs de thèse : Stéphane GARAMBOIS - Denis JONGMANS

(2)

1. Introduction

Définition Définition

Zone de départ

Dépôt

(3)

Introduction

D’après Frayssines (2005)

 Localisation

• Configurations typiques d’instabilités

 Rupture

• Approche géomécanique

• Approche historique

 Propagation

• Intensité du phénomène

• Modélisations mécaniques

Problématique

(4)

1.Introduction

Pour la détection et la localisation des fractures (géométrie)

Pour la caractérisation physique des Pour la caractérisation physique des fractures

fractures

• Nature du remplissage, ouverture ?Nature du remplissage, ouverture ?

Pour une classification

instrumentale des éboulements

Pour une analyse dynamique de la rupture-propagation

Apport du Radar géologique Apport du Radar géologique

Apport des enregistrements sismologiques Apport des enregistrements sismologiques

ouverte (air)

ponts rocheux remplissa ge ?

(5)

 Imagerie du réseau de fracture par mesures Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques

géophysiques

• Le rocher du MidiLe rocher du Midi

• Les gorges de la BourneLes gorges de la Bourne

 Caractérisation des fractures par sensibilité Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM

fréquentielle et angulaire des ondes EM

• Approche couche minceApproche couche mince

• Méthodologie d’inversion des courbes APVO - validationMéthodologie d’inversion des courbes APVO - validation

• Application sur des signaux acquis sur des falaisesApplication sur des signaux acquis sur des falaises

 Étude dynamique d’éboulements Étude dynamique d’éboulements

• Analogie entre les paramètres mécaniques/sismologiquesAnalogie entre les paramètres mécaniques/sismologiques

• Analyses dynamiques des signaux sismologiquesAnalyses dynamiques des signaux sismologiques

• Modélisation des sourcesModélisation des sources

 Conclusions & Perspectives Conclusions & Perspectives

Sommaire

(6)

Sommaire

 Imagerie du réseau de fracture par mesures Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques

géophysiques

 Caractérisation des fractures par sensibilité Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM

fréquentielle et angulaire des ondes EM

 Étude dynamique d’éboulements Étude dynamique d’éboulements

 Conclusions & Perspectives Conclusions & Perspectives

(7)

0 5 km

05 km

Grenoble Grenoble NN

2.Imagerie de la fracturation

• Rocher du Midi (V=50000 m³⁾(Deparis et al, soumis)

• Gorges de la Bourne (V=2000 m³⁾(Deparis et al, Engineering geology, 2007)

Les sites de mesures Les sites de mesures

50 m

(8)

5m 0

Fracture Fracture principale principale

F2 F1

P1 P2

 ObjectifObjectif

• Imager la continuité de la Imager la continuité de la fracturation

fracturation

 ReconnaissancesReconnaissances

• 2 profils réflexion2 profils réflexion

• 1 profil CMP (P2)1 profil CMP (P2)

• 2 forages destructifs (P2)2 forages destructifs (P2)

Site des gorges de la Bourne

(9)

CMP : antenne 200 MHz

Temps (ns)Temps (ns) Profondeur (m)

Vitesse NMO (cm/ns)

Vitesse d’intervalle (cm/ns)

Distance Émetteur/Récepteur (m)

Analyse de vitesse (CMP) Analyse de vitesse (CMP)

Pointé des ondes directes

Analyse de semblance

• Vitesse NMO

Vitesses d’intervalles (Dix, 1955)

• Profil de vitesse en profondeur

• Conversion des profils temps/profondeur

(10)

Antenne 500 MHz

 Traitements Traitements

• Filtre passe bandeFiltre passe bande

• AGCAGC

• Correction statiqueCorrection statique

• Conversion Conversion

temps/profondeurs temps/profondeurs

P1 P2

Pourcentage linéaire de pont rocheux faible (8 %)

Pourcentage linéaire de pont rocheux : 18 %

Profils radar verticaux Profils radar verticaux

Route Route

(11)

Profondeur (m)

Forage S1

(diagraphie instantanée)

Trace correspondante (500 MHz)

Vitesse de rotation instantanée normalisée

Amplitude

Validation des profils

(12)

Conclusions Conclusions

•La combinaison entre les acquisitions Lidar, GPR et les relevés structuraux s’est avérée efficace pour la

reconnaissance d’un site

•Le radar géologique permet d’estimer le pourcentage de ponts rocheux pour évaluer la stabilité de l’aléa

•Les vitesses des ondes EM ont pu être caractérisées à l’aide d’acquisition CMP

•Les mesures ont été validées par des sondages

mécaniques et par observation de la paroi après minage

(13)

Sommaire

 Imagerie du réseau de fracture par mesures Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques

géophysiques

 Caractérisation des fractures par sensibilité Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM

fréquentielle et angulaire des ondes EM

 Étude dynamique d’éboulements Étude dynamique d’éboulements

 Conclusions & Perspectives Conclusions & Perspectives

(14)

3. Caractérisation physique de la fracture

Couche mince

Onde EM

d<λ

_f

/

?

2

Onde EM

d>λ

_f

/2

Fracture épaisse

2 ondes réfléchies distinctes 1 onde réfléchie apparente

d > /2

• 2 réflexions (Vint)

d < /2

• Signal complexe = couche mince

Approche de type couche mince

(15)

R₁₂ T₂₁ T₂₁

Massif (ε_m) T₁₂

R₂₁ R₂₁ R₂₁ T₂₁ T₂₁

Couche mince (ε_f) Massif (ε_m)

d

θ_i θ_r θ_m

R = R₁₂ + T₁₂.T₂₁. ( ∑R₂₁²ⁿ⁺¹.e^-inφ)

Première réflexion

Somme des réflexions multiples

avec φ=2.d.k₂..cos(θ_m)

k=ω.(μ.ε_m)^0.5 [nombre d’onde]

R = f (_m, _f,_i d ,mode d’acquisition

Réflexion sur une couche mince

(16)

Matrice : Calcaire Remplissage : Air

Ouverture d (cm)

50 20 10 5 1

Fréquence (MHz)

Angle d’incidence (°)

AmplitudePhase (rad) Amplitude Phase (rad)

Inversion de R : caractériser les propriétés des fractures ?

Sensibilité du coefficient de réflexion

^{(mode TE)}^{(mode TE)}

d

(17)

1

0 1

2

 

    







 

    

( ) ( )ⁿ cot( )

e r

r

i n

 Le Modèle de Jonscher (1977)

• décrit la dépendance fréquentielle de la permittivité effective (ε_e) pour les matériaux géologiques.

• Modèle à 3 paramètres réels et constants (n - r - ε_)

0 500 1000 1500 2000

0 20 40 60 80 100

FREQUENCE (MHz)

ε_r ε_i

ARGILE (Grégoire, 2001) (n=0.25 , _r= 30 , ε_=55)

PERMITTIVITE (ε)

0.5 1.5

0 500 1000 1500 2000

0 1 2

FREQUENCE (MHz)

ε_r ε_i

2.5

PERMITTIVITE (ε) AIR

(n=1 , _r = 0 , ε_=1)

Sensibilité fréquentielle de la permittivité

(18)

1( ) 0

( , ). ( , ). ( , ).

( , ) ( ) ( , )

ik r

i i i

mes i

D C T e

E x E R

r

      

   ^  

 Signal source

 Diagramme de radiation

 Couplage antenne/massif

 Perte d’énergie

 Propagation

• Atténuation géométrique

• Atténuation intrinsèque

 Cœfficient de réflexion

Champ électrique mesuré

(19)

Paramètres des

fractures

Problème direct

Signaux enregistrés

E_mes(,x)

Problème inverse

Paramètres des

fractures

?

RMS (%) 0.1 1 10

100 Paramètre 2

Paramètre 1

Algorithme de voisinage

(Sambridge, 1999)

Méthode d’inversion

Algorithme d’inversion

(20)

Entrées :

 Signal APVO dispersif normalisé

 Diagramme de

radiation Correction pour chaque cellule de l’espace des paramètres de :

 L’atténuation géométrique

 L’atténuation intrinsèque

 Du diagramme de radiation

La normalisation permet de s’affranchir:

 Du signal source

 Du couplage antenne/massif 2 stratégies différentes :

2 stratégies différentes :

 Corriger en amont l’effet de la Corriger en amont l’effet de la propagation

propagation ->

-> Sont supposées connuesSont supposées connues

 La permittivité du massifLa permittivité du massif

 La profondeur de la fractureLa profondeur de la fracture

->

-> Inversion de R( Inversion de R(i_i) ) normalisénormalisé

 Pour s’affranchir du signal sourcePour s’affranchir du signal source

 Validée sur des signaux synthétiquesValidée sur des signaux synthétiques

 Prise en compte globale du champ Prise en compte globale du champ électrique mesuré

électrique mesuré ->

-> Inversion de E Inversion de Emes_mes((,x) normalisé,x) normalisé

1( ) 0

( , ) ( , ) ( , )

( , ) ( ) ( , )

ik r

i i i

mes i

D C T e

E x E R

r

      

   ^  

Méthodologie d’inversion Méthodologie d’inversion

1,4 1 0,6 0,2

0 20 40 60 80

Angle d’émission Angle d’émission

AmplitudeAmplitude

Sorties : 8 paramètres caractérisant :

 Le massif (3 paramètres de Jonscher)

 Le matériau de remplissage (3 paramètres de Jonscher)

 L’épaisseur et la profondeur de la fracture

(21)

3

0,6 1 1,4

0,2 0,4 0,8 1,2 0

Ouverture (m)

Profondeur (m)

3,2 3,4

2,6 2,8

_r,f ⁵⁰

20 40

10 30

40 30 20 50

0 10

_i,f

Fracture remplie d’air

• d=44 cm

• z=3m

• r,f=1

• i,f=0

FAIBLE

FORT

RMS

Validation de l’algorithme d’inversion

(22)

Validation de l’algorithme d’inversion Validation de l’algorithme d’inversion

Algorithme validé pour :

• 5 matériaux différents

• Modes de réflectivités TE et TM

• Inversion conjointe des modes TE et TM

• /20 < d ≤ /2

FAIBLE FORT

RMS



r,f

1,2 40

30 20 50

10

0,6 1 1,4

0,2 0,4 0,8 0

Ouverture normalisée (d/)

/3,3 /2

/10 /5 /2,5

Ouverture (m)

Solution théorique

(23)

F1 F2 F3

F4F5 9 12 6

3

0 DISTANCE (m)

?

Cli f

CMP

Application aux données acquises en falaise Application aux données acquises en falaise

 Rocher du Mollard (Jeannin et al, 2006)

Temps (ns)

Distance le long de la falaise (m)

(24)

Fréquence (MHz)

2 4 6 8 10

180 160 140 120 100

2 4 6 8 10

180 160 140 120 100

Offset (m)

Fréquence (MHz)

2 4 6 8 10

180 160 140 120 100

2 4 6 8 10

180 160 140 120 100

Offset (m)

Signaux inversés Signaux inversés

Amplitude

Phase (rad)

Offset (m)

Temps (ns)

(25)

Propriétés du

remplissage Propriétés de la

matrice Propriétés

géométriques

_r,f

_i,f

_r,m Ouverture (m)

Profondeur (m)

Résultat de l’inversion Résultat de l’inversion

 Problème bien posé

_i,m

Deparis et Garambois (soumis)

(26)

Confrontation données/modèle théorique Confrontation données/modèle théorique

 Corrections :

• Effet de la propagation

• Diagramme de radiation

AmplitudePhase (rad)

Fréquence (MHz) Angle d’incidence (m) Angle d’incidence (m) Fréquence (MHz)

AmplitudePhase (rad)

 Légende

Données

Meilleur modèle d=50 cm

d=30 cm

(27)

•L’inversion des CMP en fonction de la fréquence et de l’offset permet de retrouver les propriétés des

fractures et du milieu de propagation

•Bonne corrélation entre la théorie et les données

•La prise en compte de la sensibilité fréquentielle améliore la convergence de la solution

Conclusions

(28)

Sommaire

 Imagerie du réseau de fracture par mesures Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiques

géophysiques

 Caractérisation des fractures par sensibilité Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EM

fréquentielle et angulaire des ondes EM

 Étude dynamique d’éboulements Étude dynamique d’éboulements

 Conclusions & Perspectives Conclusions & Perspectives

(29)

Étude dynamique du phénomène d’éboulement Étude dynamique du phénomène d’éboulement

Les différentes phases d’un éboulement

(30)

12 événements trouvés dans la base de donnée SISMALP de 1990 à 2004

Gamme de volume variée (2000 à 2x10⁶ m3)

Magnitude (Ml) variant de 0,8 à 2,8

Distance d’enregistrement de 10 à 300 km

 Les événements

Présentation des signaux sismologiques Présentation des signaux sismologiques

• Éboulement

• Séisme

(31)

1Hz1Hz

10¹ 10² 10³ 10⁴

10 40 Fréquence (Hz)1

Amplitude (Déplacement)

 Magnitude locale

(Richter,1935)

• Source profonde

• Contexte de la Californie

 Modèle empirique d’atténuation

(Deparis et al, soumis)

• Source superficielle

• Contexte des Alpes

• Magnitude

• Durée du signal

• Fréquence coin

A 0

Distance (km)50 200 10^-1

10^-2

10^-3

10^-4

20 40 8020 40 8020 40 80 30

20 10 30 20 10 30 20

Durée 10

Distance (km)

Caractéristiques Sismologiques

(32)

Analogie mécanique/sismologie Analogie mécanique/sismologie

Événement étudié Rapport E p/E s

(33)

R1

• hf = 170 m

• t_f = ≈ 5,9 s

• Station 0G17 (≈ 40 km)

R1

• hf = 170 m

• t_f = ≈ 5,9 s

• Station 0G13 (≈ 24 km)

2. /h g_c 5,9s5,9s

Analyse des sismogrammes Analyse des sismogrammes

Détachement Détachement

Impact - propagation Impact - propagation

(34)

R11

• hf = 190 m

• t_f ≈ 6,2 s

• Station OG14 (≈ 43 km)

Composanteradiale

Composante Composante Composante

Composanteverticale

Temps (s)

Amplitude

Détachement Détachement

Impact - propagation Impact - propagation

0 20km

N

Analyse des sismogrammes

(35)

Altitude (m)

distance (m)

Massif : Élastique V_p = 5800 m/s Sol :

• Élastique V_p = 5800 m/s

• Élastique V_p = 1700 m/s

• Plastique V_p = 1700 m/s _y = 290 MPa

Temps (s)

Amplitude (m/s)Fréquence (Hz) Amplitude (m/s)Fréquence (Hz)

Temps (s)

Amplitude (m/s)Fréquence (Hz)

Temps (s) Amplitude (m/s)Fréquence (Hz)

Temps (s)

Simulation numérique Simulation numérique

Massif

Sol

(36)

Conclusions Conclusions

•Les différentes phases de l ’éboulement sont retrouvées sur les enregistrements

•Les effets non linéaires lors de l’impact ont pour conséquence un faible rendement énergétique (conversion E_p- E_s)

•La source peut être caractérisée par la première phase du signal

•Les corrélations montrent une analogie entre la durée du signal et l’énergie potentielle

•La modélisation d’un éboulement permet de retrouver les

caractéristiques fréquentielles et les différences d’amplitudes observées sur les signaux

(37)

Conclusions

Imagerie de la fracturation

• Méthodologie d’auscultation des falaises

• Mise en évidence de la géométrie de la fracturation

• Validation des données par sondages géotechniques et reconnaissances géologiques

Caractérisation de la fracture par méthode inverse

• Validation de l’approche couche mince par modélisation numérique

• Développement d’une méthodologie d’inversion basée sur la sensibilité fréquentielle et angulaire des signaux

• Validation sur des signaux synthétiques et application sur deux cas d’étude

Étude dynamique de la rupture et de la propagation

• Acquisition de données expérimentales à l’aide de capteurs larges bandes

• Mise en évidence de plusieurs phases sismiques

• Influence de la géométrie d’instabilité mise en évidence par modélisation numérique

Conclusions

Conclusions générales

(38)

Évolution temporelle de la stabilité

• Utilisation du radar géologique

• Mesure de bruit de fond sismique / Émission acoustique

Géométrie et propriétés physiques de la fracturation

• Imagerie 3D (profils Horizontal et Vertical)

• Utiliser l’inversion APVO (CMP) pour estimer localement les paramètres de la fracture et du signal source afin d’appliquer l’inversion en mode réflexion

(Jeannin, 2005)

• Tester la méthodologie sur des matériaux plus dispersifs

Analyse dynamique de la propagation

• Isoler le signal source (déconvolution aveugle)

• Réseau sismologique large bande – large dynamique et multirisques

Perspectives

Perspectives

(39)