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Étude d'une cavité saline

par méthodes sismiques Mémoire pour l'obtention du diplôme d'ingénieur de l'École de Physique du Globe de Strasbourg

Rapport de stage

BRGM/RP-54531-FR

janvier 2006

Étude d'une cavité saline

par méthodes sismiques Mémoire pour l'obtention du diplôme d'ingénieur de l'École de Physique du Globe de Strasbourg

Rapport de stage

BRGM/RP-54531-FR

janvier 2006 Étude réalisée dans le cadre des opérations de Recherche du BRGM 2006-ARN-50

J. Suffert, G. Grandjean, A. Bitri

Vérificateur :

Original signé par :

Nom : F. Lebert

Date :

Signature :

Approbateur :

Original signé par :

Nom : H. Modaressi

Date :

Signature :

Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000. Mots clés : Cavité, Sel, Méthode sismique, Cavités, Forages. En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

Suffert J., Grandjean G., Bitri A. (2006) - Étude d'une cavité saline par méthodes sismiques.

Rapport de stage. BRGM/RP-54531-FR, 93 p., 72 fig., 2 ann.

© BRGM, 2006, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du BRGM.

Étude d'une cavité saline par méthodes sismiques

BRGM/RP-54531-FR - Rapport de stage 3

Synthèse

epuis plusieurs années, la construction d'ouvrages souterrains connaît un développement accompagnant les progrès de la société actuelle. Il est donc nécessaire que les risques associés à de tel ouvrage soit étudiés et maîtrisés. Ce travail décrit le traitement de données sismique acquises sur le site d'exploitation salifère de Cerville-Buissoncourt, en Lorraine. Une première partie est consacrée au traitement des données acquises en forages, c'est-à-dire au filtrage des ondes de tubes, à la séparation des différents champs d'ondes, à la déconvolution, puis à l'obtention de " corridor stacks ». La partie suivante traite du cas plus classique des données acquises en surface. Pour finir, plusieurs modèles de vitesse calculés avec la méthode de tomographie sismique sont exposés, afin de permettre la réalisation de migration profondeur avant sommation. Ce rapport est issu du mémoire réalisé au BRGM dans le cadre des stages d'ingénieurs de l'École et Observatoire des Sciences de la Terre. D Étude d'une cavité saline par méthodes sismiques

BRGM/RP-54531-FR - Rapport de stage 5

Sommaire

1. Introduction.............................................................................................................11

2. Imagerie par sismique réflexion.............................................................................13

2.1. RAPPELS THÉORIQUES..................................................................................13

2.1.1. La propagation des ondes........................................................................13

2.1.2. La sismique réflexion................................................................................15

2.2. CAS PARTICULIER DES PROFILS SISMIQUES VERTICAUX

(PSV/VERTICAL SHOT PROFIL)......................................................................16

3. Situation géologique et dispositif d'acquisition...................................................19

3.1. CONTEXTE GÉOGRAPHIQUE ET GÉOLOGIQUE..........................................19

3.2. DISPOSITIF ET PARAMÈTRES D'ACQUISITION............................................20

3.3. OUTIL DE TRAITEMENT PRINCIPAL : SEISMIC UNIX...................................22

4. Traitement des données aux forages CT21 et 3128............................................23

4.1. ANALYSE DES DONNÉS BRUTES..................................................................23

4.1.1. Contenu fréquentiel des enregistrements.................................................23

4.1.2. Comparaison des deux sources...............................................................24

4.1.3. Détermination d'un premier modèle de vitesse : calcul du " log » de

vitesse d'intervalle ....................................................................................26

4.1.4. Identification des différentes ondes visibles sur les enregistrements,

4.2. PRÉ-TRAITEMENT ...........................................................................................37

4.2.1. Introduction...............................................................................................37

4.2.2. Filtrage des ondes de tubes .....................................................................42

4.2.3. Séparation du champ d'onde montant et descendant..............................45

4.3. OBTENTION DE L'IMAGE SISMIQUE..............................................................46

4.3.1. Déconvolution des ondes montantes par les ondes descendantes .........47

4.3.2. Principe de l'obtention d'une coupe sismique comparable la sismique classique...................................................................................................48

Étude d'une cavité saline par méthodes sismiques

6 BRGM/RP-54531-FR - Rapport de stage

5. Traitement des données de surface......................................................................55

5.1. PRE-TRAITEMENT...........................................................................................55

5.1.1. Filtrage et mute........................................................................................55

5.1.2. Tri en point milieu commun (CDP " Common depth point ») :.................56

5.1.3. Correction NMO (" Normal MoveOut »)...................................................58

5.2. OBTENTION DE LA SECTION SISMIQUE ......................................................60

5.2.1. Stack........................................................................................................60

5.2.2. Traitement post-stack (après sommation)................................................60

6. Tomographie...........................................................................................................63

6.1. LE LOGICIEL JATS...........................................................................................63

6.1.1. Introduction ..............................................................................................63

6.1.2. Algorithme (Grandjean G. et Sage S., 2004)...........................................63

6.1.3. Mise en oeuvre.........................................................................................64

6.1.4. Modèle de vitesse....................................................................................64

6.1.5. Migration pré-stack (PSDM " Pré-stack Depth Mirgation ») ....................69

6.2. INTERPRÉTATION...........................................................................................74

6.2.1. Critère de détection de cavité ..................................................................74

6.2.2. Interprétation de la coupe sismique finale................................................76

6.2.3. Comparaison des résultats obtenus en surface et en forage...................78

7. Conclusion..............................................................................................................83

8. Bibliographie...........................................................................................................85

Liste des annexes

Annexe 1 - Sondage 3129...........................................................................................................87

Annexe 2 - Sondages des pistes 2100 et 2200...........................................................................91

Étude d'une cavité saline par méthodes sismiques

BRGM/RP-54531-FR - Rapport de stage 7

Liste des figures

Figure 1 - Les différents fronts d'ondes. ..................................................................................14

Figure 2 - Les différents types d'ondes....................................................................................14

Figure 3 - Étape de traitement de données sismiques classique............................................15

Figure 4 - Walkaway ou Ballade sismique (source : Mari J.L., 1998)......................................16

Figure 5 - Hydrophones. ..........................................................................................................17

Figure 6 - Étape de traitement d'un VSP. ................................................................................18

Figure 7 - Carte routière de la commune de Buissoncourt (source : Michelin, 2004). ............19

Figure 8 - Position du profil. Le profil est représenté par une ligne grise ; la cavité est

signalée en bleu. .....................................................................................................20

Figure 9 - Dispositif expérimental pour la sismique de surface et de puits. ............................21

Figure 10 - a) exemple d'enregistrement en surface ; b) exemple d'enregistrement en Figure 11 - Spectre de la fréquence (ordonnée = fréquence en Hz, abscisse = n° Figure 12 - Amplitude instantanée des premières traces correspondant à différents Figure 13 - Spectre en fréquence de deux tirs proches réalisés en surface avec les deux

Figure 14 - Vint = f(z) au niveau du forage SCT21....................................................................27

Figure 15 - Erreur sur le picking des premières arrivées...........................................................27

Figure 16 - Vitesses du modèle.................................................................................................28

Figure 17 - Superposition de la géologie sur le tir 132..............................................................29

Figure 18 - Modèle de vitesse simple........................................................................................30

Figure 19 - VSP déporté synthétique pour un milieu simple à une interface.............................31

Figure 20 - Instantanés aux temps : a) t1 = 0,05 s ; b) t2 = 0,09 s ; c) t3 = 0,11 s et d) t4 =

0,18 s auquel on a superposé la position de l'interface(--), des hydrophones (-)

ainsi que la nature des différentes ondes présentes...............................................32

Figure 21 - Attribution des arrivées dans le cas simple d'un milieu à une interface..................33

Figure 22 - Modèle utilisé...........................................................................................................34

Figure 23 - Forage SCT21 : sismogramme réel a), sismogramme synthétique (en champ

de vitesse) b)...........................................................................................................34

Figure 24 - Instantanés de la modélisation dans le cas réel auquel on a superposé la

géologie et la position du forage..............................................................................36

Figure 25 - Illustration du ground-roll sur les tirs autour du forage 3128...................................37

Figure 26 - Illustration des ondes de tubes................................................................................38

Figure 27 - Spectre de dispersion de l'onde de tube.................................................................38

Étude d'une cavité saline par méthodes sismiques

8 BRGM/RP-54531-FR - Rapport de stage

Figure 28 - Tir 132 dans le domaine f-k : a) avant filtrage (aliasing montré par les fléches bleues), b) aprés filtrage (on a éliminé toutes les vitesses < 1 600 m/s)................39

Figure 29 - Fonctionnement d'un filtre médian..........................................................................40

Figure 30 - Plan f-k....................................................................................................................41

Figure 31 - Illustration de la séparation des ondes dans le plan (f-k). ......................................42

Figure 32 - a) Tir 117 brut, b) Tir 117 après application du filtre f-k (ondes montantes et descendantes), c) spectre dans le domaine f-k des données filtrées, d)

spectre des données brutes....................................................................................43

Figure 33 - a) Tir 117 brut, b) Tir 117 après application du filtre médian (ondes

montantes et descendantes)...................................................................................44

Figure 34 - a) Tir 117 brut, b) Tir 117 après application du filtre de Karhunen Loève..............44

Figure 35 - Séparation des ondes montantes et descendantes du modèle : a) ondes descendantes du modèle à offset 150 m, b) ondes montantes du modèle à

offset 150 m............................................................................................................45

Figure 36 - Tir 111 : a) tir brut, b) après filtrage des ondes de tubes, c) après séparation

et conservation des ondes montantes....................................................................46

Figure 37 - a) Ondes montantes filtrées, b) Ondes montantes filtrées et déconvoluées..........47

Figure 38 - Temps de trajet. ......................................................................................................48

Figure 39 - Mise en oeuvre d'un corridor stack (fichier 146, à 50 m du forage SCT21)............49

Figure 40 - Position de point de réflexion dans le cas a) de la sismique de surface, b) de

PSV (source : R.C. Hinds et al., 2001). ..................................................................50

Figure 41 - Principe de la correction NMO (source : Gulati, 1997)...........................................50

Figure 42 - Étapes de la correction NMO (source : Gulati 1997)..............................................51

Figure 43 - Transformation VSP CDP.......................................................................................52

Figure 44 - Étape de " Binning »...............................................................................................52

Figure 45 - Résultat du traitement des données de la zone du Cold lake. a) après correction NMO, b) sismique de surface, c) Sismogramme synthétique ; d) après VSPCDP mapping. On remarque le contenu très haute fréquence du PSV comparé à la bande issue de la sismique de surface (source : R.R.

Stewart, 2001).........................................................................................................53

Figure 46 - Tir 144 avant et après filtrage et mute, les trapèzes verts représentent les

zones à muter, la flèche rouge correspond au ground-roll....................................56

Figure 47 - Tri en point milieu commun.....................................................................................56

Figure 48 - Hyperbole de réflexion en collection point milieu commun.....................................57

Figure 49 - CDP 287,5 m : mise en évidence des différentes réflexions..................................58

Figure 50 - Correction NMO. .....................................................................................................59

Figure 51 - Analyse de vitesse sur le cdp situé à 287,5 m (1 500 m/s < Vnmo < 2 200 m/s)...59

Figure 52 - Stack non interprété a) en conservant tous les offsets, b) en ne gardant que

les offsets compris entre 80 et 400 m.....................................................................61

Étude d'une cavité saline par méthodes sismiques

BRGM/RP-54531-FR - Rapport de stage 9

Figure 53 - Volumes de Fresnel du dispositif total (S = n° de la source, R = n° du récepteur), on a matérialisé les forages par des traits noirs pour mieux se

rendre compte de leur position................................................................................64

Figure 54 - Modèle de vitesse au niveau du forage SCT21. .....................................................65

Figure 55 - Modèle de vitesse au niveau du forage 3128..........................................................66

Figure 56 - Modèle de vitesse entre les deux forages...............................................................67

Figure 57 - Dispositif..................................................................................................................67

Figure 58 - Modèle de vitesse obtenue par inversion des données de surface........................68

Figure 59 - Modèle obtenu par couplage des données de forage et des données de

Figure 60 - Étapes de la PSDM (source : Grandjean G., 2005)................................................70

Figure 61 - Résultat de la PSDM pour les forages SCT21 et 3128...........................................70

Figure 62 - Résultat de la PSDM pour les données couplées...................................................70

Figure 63 - Paramètres du modèle............................................................................................71

Figure 64 - Image obtenue après PSDM du modèle 1..............................................................72

Figure 65 - Image obtenue après PSDM du modèle 2..............................................................73

Figure 66 - Image obtenue pour le modèle 3.............................................................................74

Figure 67 - Calcul du critère de détection d'une section circulaire............................................75

Figure 68 - Coupe stratigraphique obtenue à partir des forages...............................................76

Figure 69 - Coupe sismique interprétée.....................................................................................77

Figure 70 - Évolution d'une cavité de dissolution dans le sel (source : Bourgeois B., Figure 71 - Comparaison surface/forage au niveau du forage SCT21 (fichiers 146 et 143

avec ou sans déconvolution)...................................................................................80

Figure 72 - Comparaison surface/forage au niveau du forage 3128 (fichier 180 et 193)..........81 Étude d'une cavité saline par méthodes sismiques

BRGM/RP-54531-FR - Rapport de stage 11

1. Introduction

e travail a été réalisé dans le cadre du GISOS (Groupement de recherche sur l'Impact et la Sécurité des Ouvrages Souterrains), et plus particulièrement sur le thème " surveillance géophysique des cavités » et " reconnaissance géophysique des cavités salines et des anciens forages ». Les exploitations de sel laissent derrière elles des poches remplies de saumure saturée qui peuvent devenir dangereuses dans certaines conditions, en particulier s'il n'existe pas de planche de sel d'épaisseur suffisante (> 5 m) au toit de la cavité. Un effort de recherche est entrepris pour détecter et décrire les cavités salines (localisation, géométrie, contenu) et reconnaître leur environnement (la planche de sel, la présence de faille dans les sédiments marneux sus-jacents...). Pour cela, de nombreuses méthodes géophysiques, comme par exemple les méthodes sismiques, électriques, ou d'électromagnétisme sont utilisées. L'objectif de cette étude consiste à exploiter les mesures sismiques acquises sur le site de Cerville-Buissoncourt, et à rechercher les traitements optimaux à mettre en oeuvre, afin de caractériser la zone surplombant la cavité. Plus particulièrement, ce travail présente : - l'utilisation des données sismiques de surface et de forage ; - la mise en oeuvre de diverses méthodes de traitement (VSP, tomographie acoustique, sismique réflexion, imagerie sismique avant sommation). C Étude d'une cavité saline par méthodes sismiques

BRGM/RP-54531-FR - Rapport de stage 13

2. Imagerie par sismique réflexion

2.1. RAPPELS THÉORIQUES

2.1.1. La propagation des ondes

Les phénomènes observés en sismique sont régis par l'équation de propagation des ondes. Dans un milieu infini, homogène et isotrope deux ondes se propagent. La plus rapide est l'onde P (Primaire) et la seconde est appelée onde S (Secondaire). Ces deux ondes ont pour équation de propagation, dans un milieu à une dimension : dtud = V² dxud avec u déplacement des particules,

V vitesse de propagation de l'onde,

x l'espace, t le temps.

La vitesse des ondes P est donnée par

PO D 2 2 et celle des ondes S par P E 2 , et (modules de cisaillement) étant les constantes de Lamé et la masse volumique. Lorsque le milieu n'est plus homogène et isotrope, on observe, en plus des ondes de volumes P et S, des ondes de surface qui prennent naissance et se propagent le long des surfaces où le milieu change de caractéristiques. Elles sont particulièrement importantes à la surface du sol (c'est le ground-roll) et dans les puits, ce sont les ondes de tubes (dont les particularités seront détaillées au paragraphe 2.2.). Vu sous un aspect géométrique, la propagation des ondes à une interface se fait de la manière suivante : la source génère des ondes de volume dans le sol. Celles-ci se propagent, puis lors de leur rencontre avec une interface, elles peuvent soit se réfléchir soit être transmises dans la couche suivante. La figure 1 représente schématiquement les fronts d'ondes. Étude d'une cavité saline par méthodes sismiques

14 BRGM/RP-54531-FR - Rapport de stage

Figure 1 - Les différents fronts d'ondes.

La figure 2 représente les rais sismiques :

Figure 2 - Les différents types d'ondes.

Les réfractions et les réflexions des rayons suivent la loi de Descartes : 21
sinsin VVr i Pour une incidence normale (i = 0), si l'amplitude de l'onde incidente est égale à 1, l'amplitude de l'onde réfléchie (i.e. coefficient de réflexion) sera : R =

11221122

UU VVVV et l'amplitude de l'onde réfractée : 1-R =

112211

2 U VVV avec V la vitesse du milieu indiqué en indice et sa densité. Ces relations sont encore valables pour des angles d'incidence faibles (i < 15°). Si V2 > V1, il y a un angle d'incidence limite égal à i c = arcsin (V1/V2) qui correspond à une réfraction le long du dioptre au-delà de la réflexion totale. Étude d'une cavité saline par méthodes sismiques

BRGM/RP-54531-FR - Rapport de stage 15

2.1.2. La sismique réflexion

La sismique réflexion est une des méthodes géophysiques les plus utilisées pour déterminer les structures du sous-sol. Elle fournit une échographie du sous-sol en 2 ou

3 dimensions. Les évènements sismiques apparaissant sur la section correspondent à

des arrivées d'ondes réfléchies. Cette méthode nécessite un dispositif émetteur (source), un dispositif récepteur (capteurs) et un laboratoire d'enregistrement numérique. L'enregistrement sismique est une fonction échantillonnée suivant le temps d'écoute t et la distance émetteur-récepteur. On appelle " point milieu » le point situé à mi- distance entre le point de tir et la trace réceptrice ; le point de réflexion sur une interface marquant un changement d'impédance entre les deux couches est appelé " point miroir ». Si l'interface est horizontale, ces deux points seront situés sur la même verticale. Les données sont traitées selon le schéma suivant : Figure 3 - Étape de traitement de données sismiques classique. Une des premières phases de traitement vise à extraire des tirs élémentaires les ondes

réfléchies, en filtrant les événements parasites formés par des arrivées directes et

réfractées, les ondes de surface, les ondes converties, les multiples et le bruit. Cette étape permet d'améliorer le rapport signal sur bruit. On a ensuite une phase de corrections statiques qui a pour rôle de compenser, par exemple, les effets de topographies. Cette étape comprend également la détermination du champ de vitesse grâce à la réalisation d'analyse de vitesse en collection point milieu commun (CMP). La détermination du champ de vitesse permet d'appliquer aux traces une correction dynamique qui compense la courbure de l'hyperbole en ramenant le temps d'arrivée de l'onde réfléchie au temps de son apex. Étude d'une cavité saline par méthodes sismiques

16 BRGM/RP-54531-FR - Rapport de stage

Si les pendages sont importants, il est également nécessaire de faire une correction de pendage appelée DMO (Dip Move Out). La troisième phase est la sommation en couverture multiple ou " stack ». La dernière étape du traitement est consacrée aux traitements après sommation tels que la migration et la conversion temps - profondeur. Toutes ces étapes seront détaillées plus précisément par la suite.

2.2. CAS PARTICULIER DES PROFILS SISMIQUES VERTICAUX

(PSV/VERTICAL SHOT PROFIL) La sismique de puits est utilisée pour une meilleure connaissance d'un gisement en phase d'exploitation mais peut également servir pour son " monitoring », c'est-à-dire son étude au cours du temps. On distingue trois types de sismique de puits : tirs en surface avec récepteurs dans le puits (c'est notre cas), tirs dans le puits avec récepteurs en surface et tir dans le puits avec récepteur dans un autre puits (Mari J.L.,quotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

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