Geophysique: La methode sismique
Introduction :
Notre but consiste à déterminer la méthode sismique et ses différentes applications on donnant tout d’abord des notions fondamentales dans la sismologie
En effet il ne faut pas confondre entre sismologie et sismique,dont la première consiste a étudié les tremblement de terre cependant la sismique c’est notre sujet de travail qui consiste a étudié la structure de lithosphère a l’aide d’ébranlements artificiels (réfraction et réflexion) et appliqué a plusieurs domaines.
Les méthodes sismiques sont redevables des principes de base établis grâce à l'étude des tremblements de terre et qui ont servi de point de départ à l'application des méthodes sismiques en géophysique appliquée. La séismologie étudie les tremblements de terre naturels et certaines explosions de très grande envergure (explosions nucléaires). Cette science englobe les théories explicatives des causes des tremblements de terre, l'étude des divers types d'ondes sismiques, le calcul de la trajectoire des ondes, de la localisation de l'épicentre et de la profondeur du foyer d'explosion, de la nature des déplacements de divers mouvements d'ondes ainsi que du mécanisme focal des tremblements de terre.
Principe de la sismique :
La méthode de prospection sismique est basée sur la propagation dégressive et de proche en proche d’un ébranlement d’un point du sol, le temps alors nécessaire pour qu'il atteigne des récepteurs (géophones) dépend de la nature et de la disposition des formations géologiques. L'ébranlement du sol se traduit par une émission d'ondes élastiques dans le milieu à travers différents moyens : choc à la masse, explosifs….
Autre mendie cette méthode utilise une source d'ébranlement pouvant être créée par un coup de masse sur une plaque métallique, l'explosion de dynamite, les vibrations cohérentes d'un camion vibreur, etc...
La source produit une onde de choc qui se propage dans le sous-sol á des vitesses différentes et selon des trajets qui suivent des lois analogues á celles de l'optique. Il se produit ainsi des réflexions, des réfractions et des guidages d'onde.
Les vibrations sont enregistrées à la surface du sol par des capteurs sensibles à la vitesse de déplacement du sol, les géophones. En fonction du dispositif de terrain utilisé, l'analyse des temps d'arrivée des ondes directes, réfléchies, ou réfractées permet de calculer les vitesses sismiques et les épaisseurs des terrains.
Les dispositifs utilisées :
Ils sont nombreux. A titre d'exemple, on mentionnera le dispositif ci-dessous, utilisé pour des prospections légères et qui permet d'analyser les réfractions des ondes.
*Profondeur d'investigation :
Elle dépend essentiellement de la source sismique utilisée et du dispositif,en générale on a :
Masse entre 0 et
Explosif entre 0 et plus d'
L'autre facteur qui peut limiter la pénétration est la présence d'une couche de terrain á faible vitesse : pour "passer" ce terrain, il faut allonger le dispositif d'autant plus que l'épaisseur de ce terrain est grande.
Des notions fondamentales :
1/LES ONDES SISMIQUES :
Les ondes sismiques sont des ondes élastiques. L'onde peut traverser un milieu sans modifier durablement ce milieu. L'impulsion de départ va "pousser" des particules élémentaires, qui vont "pousser" d'autres particules et reprendre leur place. Ces nouvelles particules vont "pousser" les particules suivantes et reprendre leur place, etc.
Les vibrations engendrées par un séisme se propagent dans toutes les directions. On distingue les ondes de volume qui traversent
Ces ébranlements, qui se déplacent sous forme d'ondes, traversent le Globe et donnent des indications irremplaçables sur sa constitution.
On distingue :
Les ondes de volume :
Elles trouvent leur explication dans la théorie de l'élasticité, mécanique du solide. Elles se propagent à l'intérieur du globe suivant des lois proches de celles de l'optique géométrique. Lorsqu'elles se réfléchissent sur des surfaces de discontinuité (et notamment sur la surface du globe), elles interfèrent et génèrent des "ondes de surfaces". Leur vitesse de propagation dépend du matériau traversé et d'une manière générale elle augmente avec le profondeur.
On distingue :
*les ondes P ou ondes primaires :
Appelées aussi ondes de compression ou ondes longitudinales se propagent dans tous les milieux.
Le déplacement du sol qui accompagne leur passage se fait par dilatation et compression successives, parallèlement à la direction de propagation de l'onde. Elles sont responsables du grondement sourd que l'on peut entendre au début d'un tremblement de terre. Ce sont les plus rapides (6km.s-1 près de la surface) et sont enregistrées en premier sur un sismogramme.
*Les ondes S ou ondes secondaires :
Appelées aussi ondes de cisaillement ou ondes transversales. A leur passage, les mouvements du sol s’effectuent perpendiculairement au sens de propagation de l'onde. Ces ondes ne se propagent pas dans les milieux liquides, elles sont en particulier arrêtées par le noyau de
La différence des temps d'arrivée des ondes P et S suffit, connaissant leur vitesse, à donner une indication sur l'éloignement du séisme.
Les ondes de surface :
Ce sont des ondes guidées par la surface de
Elles sont moins rapides que les ondes de volume mais leur amplitude est généralement plus forte et elles concentrent le maximum d'énergie.
On peut distinguer :
*L'onde de Love :
se propage seulement dan les solides non homogènes. Onde transversale polarisée dans le plan horizontal, elle résulte d'interférences constructives entre ondes horizontales. Le déplacement est essentiellement le même que celui des ondes S sans mouvement vertical. Les ondes de Love provoquent un ébranlement horizontal qui est la cause de nombreux dégâts aux fondations des édifices.
*L'onde de Rayleigh
Se propage au voisinage de la surface de milieux homogènes et non homogènes. Le déplacement est complexe, assez semblable à celui d'une poussière portée par une vague, un mouvement à la fois horizontal et vertical, elliptique rétrograde polarisé dans le plan vertical de propagation. Elle résulte d'interférences entre onde P et S verticale. En fait, les ondes de Love se propagent à environ 4 km/s, elles sont plus rapides que les ondes de Rayleigh. Le document joint montre les 4 sortes d'ondes sismiques fondamentales ressenties lors d'un tremblement de terre.
L'onde P qui comprime et étire alternativement les roches. On l'enregistre bien sur la composante verticale du sismographe.
L'onde S se propage en cisaillant les roches latéralement à angle droit par rapport à sa direction de propagation. On l'enregistre bien sur les composantes horizontales du sismographe.
Les ondes de surface :
*L'onde de Love L:
Elle déplace le sol d'un côté à l'autre dans un plan horizontal perpendiculairement à sa direction de propagation. On l'enregistre uniquement sur les composantes horizontales du sismographe.
*L'onde de Rayleight R:
Le déplacement des particules est à la fois horizontal et vertical. Cette onde est enregistrée sur les trois composantes du sismographe. Les vibrations engendrées par cette onde durent plusieurs minutes.
2/ LE RAI SISMIQUE :
*Paramètre et forme d'un rai sismique :
Soient Vp et Vs les vitesses respectives des ondes P et S. Elles sont liées aux coefficients élastiques l , m et k et à la densité r par
Lorsqu'une onde P ou S rencontre une surface de discontinuité, elle doit, en général, donner naissance à quatre ondes : longitudinale et transversale réfléchie ; longitudinale et transversale réfractée. Mais il peut disparaître une, deux ou trois de ces ondes. Ainsi une onde SH vibrant normalement au plan de propagation ne donne naissance qu'à une onde de même espèce tandis qu'une onde SV vibrant dans le plan de propagation donne, en général, quatre ondes, mais peut subir la réflexion totale. Une onde peut subir plusieurs réflexions ou réfractions par de telles surfaces de discontinuité. Deux cas sont à considérer selon les distances envisagées entre la source et un point d'observation.
Si les distances n'excèdent pas quelques centaines de kilomètres, on peut admettre que la surface de discontinuité est plane, ainsi que la surface du sol. Dans chaque transformation, les vitesses Vi et Vr sont reliées à l'angle i d'incidence et à l'angle r de réflexion ou de réfraction par l'équation que l'on appelle aussi loi de Descartes.
Les domaines d’applications de la méthode :
Le domaine d'application est très large dès lors qu'il existe des contrastes d'impédance acoustique (vitesse sismique et/ou densité) permettant d'obtenir de bons réflecteurs offrant une propagation efficace des ondes émises jusqu'aux signaux reçus. L’application la plus connue est :
*l’exploration du pétrole :
Les études sismiques fournissent des informations extrêmement précieuses. Cette méthode consiste à envoyer dans le sol des ondes sonores, réfléchies par les différentes surfaces rocheuses. On mesure alors le temps que mettent les ondes pour revenir à la surface. Ces études peuvent également indiquer la nature des roches, car des roches différentes auront des vitesses de transmission différentes. On peut produire ces ondes sismiques en faisant exploser une charge de dynamite à quelques mètres de profondeur, à l'aide de camions vibrateurs ou bien encore de décharges d'air comprimé en mer. Les études sismiques les plus complexes sont les études tridimensionnelles, qui permettent, grâce à une meilleure connaissance du sous-sol, la découverte de pièges complexes ou de petite taille et un plus grand taux de réussite en matière de forage d'exploration. Les données enregistrées sont traitées par des ordinateurs puissants qui donnent une image tridimensionnelle, très précise, des formations rocheuses et de la structure du sous-sol dans la zone étudiée
Et d’autres domaines en plus tel que :
*Repérage de la profondeur du substratum
*Repérage d'intrusions
*Détermination de la compacité des terrains
*connaissance de la structure du globe terrestre.
Conclusion :
*Les avantages de la méthode :
Calcul des paramètres vitesse sismique, indicateur de dureté qualité des massifs rocheux etc...
Etudes fines des structures à toutes les échelles
Bonne résolution verticale et horizontale
Souplesse des dispositifs
*Les limites de la methode :
Peu efficace en cas de recherche de structures verticales
Emploi d'explosifs
Interprétation délicate
Méthode assez lourde à mettre en œuvre dans certains cas.
