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UNIVERSITE D"ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D"ANTANANARIVO

--o0o--

DEPARTEMENT MINES

Formation Doctorale Génie Minéral

Mémoire de fin d"études en vue de l"obtention du

Diplôme d"Etudes Approfondies

Option

: Génie Minéral

Présenté et soutenu par :

ANDRIAMBOAVONJY Mamy Rija

Le 23 octobre 2008

Devant les membres du Jury :

Président Pr. RANDRIANJA Roger

Rapporteur Dr. RAKOTO Heritiana

Examinateurs

Pr. RATSIMBAZAFY Jean Bruno

Pr. RASOLOMANANA Eddy

Pr. RAMBOLAMANANA Gérard

l

NIVERSITE D"NTANANARIVO ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D"ANTANANARIVO --o0o-- DEPARTEMENT MINES Formation Doctorale Génie Minéral Mémoire de fin d"études en vue de l"obtention du iplôme d"tudes pprofondies Option : Génie Minéral Présenté et soutenu par : ANDRIAMBOAVONJY Mamy Rija Le 23 octobre 2008 Devant les membres du Jury :

i

REMERCIEMENTS

A la fin de ce travail, je tiens à remercier particulièrement M. RAKOTO Heritiana;

sans lui mes études en DEA Génie Minéral n"auraient pas été possibles et ce mémoire n"aurait

pas pu être réalisé. Il a été pour moi autant un professeur qu"un père ; il s"est montré patient,

chaleureux et exceptionnellement humain à mon égard durant ces longues années d"études. Il

m"a initié, dirigé et m"a conseillé précieusement. Qu"il trouve ici l"expression de ma profonde

gratitude. Ensuite, je remercie sincèrement M. RANDRIANJA Roger qui a eu l"amabilité de présider cette soutenance. Je suis particulièrement reconnaissant à Messieurs les membres du jury qui ont accepté de juger ce travail et m"ont adressé de précieuses observations et corrections: Pr. RANDRIANJA Roger, Dr. RAKOTO Heritiana, Pr. RAMBOLAMANANA Gérard, Pr.

RASOLOMANANA Eddy et Pr. RATSIMBAZAFY Jean Bruno.

Je remercie également :

- RAMANANTSOA Andriamahazoherizo et RAZAFINDRAKOTO Boni Gauthier, de leurs encouragements et précieux conseils. - tout le personnel de la Société SGDM qui m"a bien accueilli et qui m"a beaucoup aidé et soutenu sur terrain et au bureau. - la Société SGDM qui m"a permis d"effectuer bien et à terme tous ces travaux de recherche et qui a entièrement participé à la prise en charge des études. Mes remerciements vont aussi au Personnel et aux collègues étudiants-chercheurs du

DEA Génie Minéral, qui m"ont amicalement accueilli. Sans leur aide, leur disponibilité et leur

compréhension, mes travaux de recherche n"auraient pas pu être menés à bien. Je tiens aussi à remercier vivement tous ceux qui de loin ou de près ont contribué à la réalisation de ce mémoire: parents, familles et amis qui m"ont soutenu durant mes études et exceptionnellement mon père qui a souhaité vivement que mémoire soit réalisée. Enfin, je tiens à témoigner ma tendre reconnaissance à ma femme Nirina et ma fille

Valiha qui m"ont été d"un grand soutien tout au long de cette étude; sans elles, je ne serais

jamais arrivé au bout de ce travail. Merci de s"être montrées patientes et compréhensives en

supportant mes fréquentes absences. ii

TABLE DES MATIERES

REMERCIEMENTS-------------------------------------------------------------------------------------- i

TABLE DES MATIERES------------------------------------------------------------------------------- ii

LISTE DES FIGURES----------------------------------------------------------------------------------iv

LISTE DES TABLEAUX ------------------------------------------------------------------------------- v

INTRODUCTION ----------------------------------------------------------------------------------------1

I. RAPPELS THEORIQUES DE SISMIQUE--------------------------------------------------3

I.1. CONSTANTES ELASTIQUES ET ONDES------------------------------------------------------------------3

I.1.1. Loi de Hooke----------------------------------------------------------------------------------------------------------3

I.1.1.1. Paramètre de Lamé l---------------------------------------------------------------------------------------4

I.1.1.2. Module de rigiditém-----------------------------------------------------------------------------------------4

I.1.1.3. Module d"Young E -------------------------------------------------------------------------------------------4

I.1.1.4. Module d"incompressibilité K ------------------------------------------------------------------------------5

I.1.1.5. Coefficient de Poissons------------------------------------------------------------------------------------5

I.1.2. Ondes élastiques------------------------------------------------------------------------------------------------------6

I.1.2.1. Ondes P---------------------------------------------------------------------------------------------------------6

I.1.2.2. Ondes S---------------------------------------------------------------------------------------------------------6

I.1.2.3. Ondes de Rayleigh--------------------------------------------------------------------------------------------7

I.1.2.4. Ondes de Love-------------------------------------------------------------------------------------------------7

I.2. VITESSES SISMIQUES ------------------------------------------------------------------------------------------8

I.3. LOI DE SNEll-DESCARTES ET PRINCIPE D"HUYGENS-------------------------------------------- 10 I.4. TYPES DE BRUITS SISMIQUES ET ATTENUATION DU BRUIT --------------------------------- 12

I.4.1. Types de bruits sismiques-----------------------------------------------------------------------------------------12

I.4.1.1. Bruit aléatoire------------------------------------------------------------------------------------------------12

I.4.1.2. Bruit cohérent------------------------------------------------------------------------------------------------12

I.4.2. Atténuation du bruit------------------------------------------------------------------------------------------------13

I.5. SISMIQUE REFLEXION ET REFRACTION------------------------------------------------------------- 14

I.5.1. SISMIQUE REFLEXION ----------------------------------------------------------------------------------------14

I.5.1.1. Généralités ---------------------------------------------------------------------------------------------------14

I.5.1.2. Acquisition des données -----------------------------------------------------------------------------------16

I.5.1.3. Traitements des données-----------------------------------------------------------------------------------18

I.5.2. SISMIQUE REFRACTION--------------------------------------------------------------------------------------20

I.5.2.1. Généralités ---------------------------------------------------------------------------------------------------20

I.5.2.2. Acquisition des données -----------------------------------------------------------------------------------21

I.5.2.3. Traitements des données - Méthode par tomographie------------------------------------------------22

I.5.3. DOMAINES D"APPLICATION --------------------------------------------------------------------------------25

I.5.3.1. Exploration pétrolière --------------------------------------------------------------------------------------26

I.5.3.2. Génie civil, Hydrogéologie, autres-----------------------------------------------------------------------26

II. EQUIPEMENTS POUR LA PROSPECTION SISMIQUE DE SURFACE-------- 28 iii

II.1. Sources sismiques------------------------------------------------------------------------------------------------- 28

II.2. Géophones---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 29

II.3. Sismographe ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 30

II.4. Enregistrement numérique ------------------------------------------------------------------------------------- 31

II.5. Matériels informatiques----------------------------------------------------------------------------------------- 31

II.5.1. Ordinateur de terrain -------------------------------------------------------------------------------------------31

II.5.2. Logiciel VIBRASCOPE---------------------------------------------------------------------------------------31

II.5.3. Logiciel WINSEIS TURBO ----------------------------------------------------------------------------------32

II.5.4. Logiciel SEISIMAGER/2DTM--------------------------------------------------------------------------------33

III. APPLICATION DE LA SISMIQUE DE PROSPECTION -------------------------- 34

III.1. Localisation des sites d"études---------------------------------------------------------------------------------- 34

III.2. Contexte géologique---------------------------------------------------------------------------------------------- 35

III.2.1. Site 1 : Secteur Analamboantsihona-------------------------------------------------------------------------35

III.2.2. Site 2 : Secteur Analabe ---------------------------------------------------------------------------------------36

III.3. .Acquisition des données----------------------------------------------------------------------------------------- 37

III.4. Traitement des données ----------------------------------------------------------------------------------------- 42

III.4.1. Sismique réflexion----------------------------------------------------------------------------------------------42

III.4.2. Sismique réfraction---------------------------------------------------------------------------------------------45

III.5. Résultats et discussion ------------------------------------------------------------------------------------------- 47

III.5.1. Site 1 : Secteur Analamboantsihona-------------------------------------------------------------------------47

III.5.1.1. Résultat forage-----------------------------------------------------------------------------------------------47

III.5.1.2. Sismique réflexion------------------------------------------------------------------------------------------48

III.5.1.3. Sismique réfraction -----------------------------------------------------------------------------------------49

III.5.1.4. Comparaison des résultats---------------------------------------------------------------------------------51

III.5.1.5. Contantes élastiques ----------------------------------------------------------------------------------------52

III.5.2. Site 2 : Secteur Analabe ---------------------------------------------------------------------------------------55

III.5.2.1. Sismique réflexion------------------------------------------------------------------------------------------55

III.5.2.2. Sismique réfraction -----------------------------------------------------------------------------------------56

III.5.2.3. Comparaison des résultats---------------------------------------------------------------------------------57

III.5.2.4. Constantes élastiques---------------------------------------------------------------------------------------58

CONCLUSION ----------------------------------------------------------------------------------------- 62

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES --------------------------------------------------------- 64 iv

LISTE DES FIGURES

Figure 1 : Force F agissant sur un élément de surface A-------------------------------------------------------------5

Figure 2 : Déformation normale----------------------------------------------------------------------------------------------5

Figure 3 : Déformation en cisaillement--------------------------------------------------------------------------------------5

Figure 4 : Ondes P (A) et ondes S (B) ---------------------------------------------------------------------------------------7

Figure 5 : Ondes de Rayleigh (A) et ondes de Love (B) -------------------------------------------------------------------7

Figure 6 : Influence du fluide -------------------------------------------------------------------------------------------------9

Figure 7 : Influence de la température---------------------------------------------------------------------------------------9

Figure 8 : Différents rais associés à une onde P incidente sur une interface------------------------------------------10

Figure 9 : Propagation d"un front d"onde d"après le principe d"Huygens---------------------------------------------11

Figure 10 : Fronts d"ondes diffractées--------------------------------------------------------------------------------------11

Figure 11 : Phénomènes causant la dégradation des ondes sismiques (Reynolds J.M, 1997)-----------------------13

Figure 12 : Hyperbole de réflexion------------------------------------------------------------------------------------------15

Figure 13 : Réflexion des rais réfractés ------------------------------------------------------------------------------------15

Figure 14 : Dispositif symétrique (24 géophones) avec couverture continue du miroir------------------------------16

Figure 15 : Profils en couverture multiple. Les symboles´etÄreprésentent les géophones et les points de tir

respectivement. (a) coupe montrant les tirs sur un même point (Mayne 1962) ; (b) graphique pour

l"addition des points miroirs communs (Morgan, 1970).--------------------------------------------------------- 17

Figure 16 : Disposition (a) d"une collection point de tir commun, (b) d"une collection CMP, (c) d"une collection

point récepteur commun-----------------------------------------------------------------------------------------------18

Figure 17 : Evolution de la qualité des données sismiques après la première phase du traitement (document Gaz

de France)---------------------------------------------------------------------------------------------------------------19

Figure 18 : Evolution de la qualité des données sismiques après la deuxième phase du traitement (document

Gaz de France)--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 19

Figure 19 : Coupe temps après sommation et migration (document Géophysique de gisement et de génie civil)19

Figure 20 : Diagramme montrant les rais sismiques : direct, réfléchi et réfracté (A), exemple d"enregistrement

sismique réfraction avec pointage des arrivées réfractées (B) -------------------------------------------------- 21

Figure 21 : Dispositif de tir en sismique réfraction-----------------------------------------------------------------------21

Figure 22 : Anomalies sur les dromochroniques et leurs origines respectifs------------------------------------------23

Figure 23 : Réfraction sur multicouche (J-LMari, et al, 1998)----------------------------------------------------------24

Figure 24 : Dromochronique de réfraction sur un multicouche---------------------------------------------------------24

Figure 25 : Géophone avec pointe (A) et Schéma d"un géophone (B)--------------------------------------------------29

Figure 26 : Géophone P, axe vertical---------------------------------------------------------------------------------------29

Figure 27 : Géophone S, axe horizontal------------------------------------------------------------------------------------29

Figure 28 : DAQLink II-------------------------------------------------------------------------------------------------------30

Figure 29 : Interface du Vibrascope ----------------------------------------------------------------------------------------32

Figure 30 : Winseis Turbo de Kansas Geological Survey (KGS)--------------------------------------------------------33

Figure 31 : Interface du Winseis Turbo-------------------------------------------------------------------------------------33

Figure 32 : Pickwin ver.3.14 et Plotrefa_ee ver. 2.73 (OYO Corporation 2004) -------------------------------------33

Figure 33 : Carte de localisation (Source : Carte Topographique 1/100.000 feuille V45 FTM, 1973)------------34

Figure 34 : Carte géologique de la région (Source : Carte geologique de Toamasina- feuille UVW 44-45,

Service Géologique de Madagascar-Antananarivo, 1962)------------------------------------------------------- 36

Figure 35 : Photo des sables du secteur d" Analamboantsihona--------------------------------------------------------36

Figure 36 : Photo des roches doléritiques fissurées du secteur d"Analabe --------------------------------------------36

Figure 37. : Diagramme montrant les branchements des différents appareils ----------------------------------------37

Figure 38 : Carte d"implantation du profil sismique sur le secteur d" Analamboantsihona-------------------------38

Figure 39 : Carte d"implantation du profil sismique sur le secteur d"Analabe----------------------------------------39

Figure 40 : Retard et avance sur l"enregistrement causés par le contacteur------------------------------------------40

Figure 41 : Le déclencheur GISCO G-ST-01 ------------------------------------------------------------------------------40

Figure 42 : Photos des équipements : (gauche) ordinateur portable et Daqlink II, (milieu) géophone relié à la

flûte, (droite) masse pesante.----------------------------------------------------------------------------------------- 41

Figure 43 : Exemple acquisition sismique de surface---------------------------------------------------------------------41

Figure 44 : Résumé des étapes de traitement ------------------------------------------------------------------------------42

Figure 45 : Amélioration du signal par application de filtre passe-bande : (a) signal brut avec cône de bruit, (b)

après " mute » des premières arrivées et filtre passe-bande 60-120Hz.--------------------------------------- 44

Figure 46 : Spectre de fréquence du signal du profil 1 (figure 70) : (a) spectre dominé par les bruits de surface,

(b) après filtre passe-bande 60-120Hz------------------------------------------------------------------------------ 44

v

Figure 47 : Spectre de fréquence du signal du profil 2 : (a) spectre dominé par les bruits de surface, (b) après

filtre passe-bande 80-130Hz ----------------------------------------------------------------------------------------- 44

Figure 48 : Enregistrement sismique filtré à l"aide d"un filtre f-k, puis déconvolué : (a) signal brut, (b) signal

filtré, (c) signal déconvolué ------------------------------------------------------------------------------------------ 44

Figure 49 : Diagramme du processus du pointage : entrée *.sg2 et sortie *.vs---------------------------------------45

Figure 50 : Interface du module Pickwin (version 3.14), avec pointage (tir G1G2)----------------------------------46

Figure 51 : Diagramme du processus de tomographie : entrée *.vs et sortie *.vs------------------------------------46

Figure 52 : Interface du module Plotrefa (version 2.73), avec temps des trajets après inversion ------------------47

Figure 53 : Résultat du forage (Source : Colas, 2007) -------------------------------------------------------------------48

Figure 54 : Profil sismique réflexion - site 1 : coupe migrée avec profondeur approximative ---------------------49

Figure 55 : Dromochroniques obtenus après pointage des premières arrivées -site 1 ------------------------------50

Figure 56 : Profil sismique réfraction - site 1 : Coupe de vitesse restituée en profondeur--------------------------50

Figure 57 : Emplacement du profil et des coupes sismiques - site 1(réflexion et réfraction) -----------------------51

Figure 58 : Coupes sismiques interprétées - site 1(réflexion et réfraction) -------------------------------------------51

Figure 59 : Constantes élastiques obtenues après calcul - site 1 : 1) Coupe de Vs, 2) Densité, 3) Module de

cisaillement, 4) Constante de Lamé, 5) Module d"incompressibilité volumique, 6) Module d"Young------ 54

Figure 60 : Profil sismique réflexion -site 2 : coupe migrée avec profondeur approximative ----------------------55

Figure 61 : Dromochroniques obtenus après pointage des premières arrivées - site 2------------------------------56

Figure 62 : Profil sismique réfraction -site 2 : Coupe de vitesse restituée en profondeur---------------------------56

Figure 63 : Emplacement du profil et des coupes sismiques -site 2 (réflexion et réfraction) -----------------------57

Figure 64 : Coupes sismiques interprétées - site 2(réflexion en haut et réfraction en bas) -------------------------57

Figure 65 : Photo de la latérite - altérites et des dolérites fissurées (à gauche-coté Sud et à droite-coté Nord)-

site 2--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 58

Figure 66 : Constantes élastiques obtenues après calcul - site 2 : 1) Coupe de Vs, 2) Densité, 3) Module de

cisaillement, 4) Constante de Lamé, 5) Module d"incompressibilité volumique, 6) Module d"Young------ 60

Figure 67 : Décomposition de la contrainte agissant sur une surface d"un volume élémentaire -------------------70

Figure 68 : Rippabilité et Vitesse sismique d"ondes de compression (Source : Applied geophysics in

hydrogeological and engineering practice-fig.6.5, Kelly W.E et al, 1993) -------------------------------------73

Figure 69 : Mesures de vitesses dans différentes roches (Telford W.M et al, 1976)----------------------------------73

Figure 70 : Zones de Fresnel-------------------------------------------------------------------------------------------------77

Figure 71 : Diagramme d"addition - Site 1 secteur Analamboantsihona----------------------------------------------80

Figure 72 : Diagramme d"addition - Site 2 secteur Analabe------------------------------------------------------------81

LISTE DES TABLEAUX

Tableau A : Guide d"emploi des techniques géophysiques adaptées en génie civil (extrait de Tab 1.1

Géophysique de gisement et de génie civil, Mari J-L et al, 1998)----------------------------------------------- 25

Tableau B : Caractéristiques et paramètres géométriques adoptés lors de l"acquisition----------------------------39

Tableau C : Vitesses et densité des différentes roches (extrait de Tab 1.1 Géophysique de gisement et de génie

civil) --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 72

Tableau D : Conditions requises pour une source sismique (extrait de " Requirements of source », An

introduction to Applied and Environmental Geophysics) ---------------------------------------------------------74

Tableau E : Distance entre traces pour éviter l"aliasing spatial en fonction de la vitesse (m/s) de l"onde et de la

fréquence (Hz) maximale à préserver(extrait de Tab 1.1 Géophysique de gisement et de génie civil)-----74

Tableau F : Longueur d"onde (m) d"un signal en fonction de la fréquence et de la vitesse de l"onde(extrait de

Tab 1.1 Géophysique de gisement et de génie civil)--------------------------------------------------------------- 75

1

INTRODUCTION

La sismique est la méthode la plus demandée, dans le domaine d"investigation du sous

sol actuellement. Elle a une bonne précision, sa résolution est excellente et elle est capable de

pénétrer beaucoup plus en profondeur. Les caractéristiques, cités ci-dessus, justifient

largement son rôle dans le domaine de la géoscience. La méthode sismique est basée sur l"utilisation des ondes élastiques qui parcourent les formations géologiques avec des vitesses de propagation différentes. Le principe est de générer en un point une onde et de déterminer sur un certain nombre

de points le temps d"arrivée des propagations émises à partir d"un point appelé " Source ».

L"énergie est réfractée ou réfléchie sur les interfaces des différentes roches. On parle de

sismique réflexion quand le traitement se rapporte sur des énergies réfléchies, et de sismique

réfraction quand on s"intéresse aux énergies réfractées. Il existe deux méthodes bien distinctes de sismique de prospection : la sismique

réflexion et la sismique réfraction. La sismique réflexion s"est beaucoup développée ces

derniers temps et s"est divisée en deux : la sismique à haute résolution et/ou à faible

profondeur et la sismique classique utilisée à la recherche pétrolière. De même, le traitement

des données sismiques est devenu beaucoup plus simple et rapide, ceci grâce à la révolution

grandiose de la technologie informatique. L"application de ces deux méthodes comme méthode d"exploration date déjà de

plusieurs années. Le but de leur utilisation est très varié et les résultats sont aussi satisfaisants

jusqu"à l"heure actuelle. La sismique de prospection demeure une des grandes méthodes de la géophysique appliquée. Actuellement, ses domaines d"application se focalisent

principalement sur l"exploration pétrolière (on shore), sur les problèmes en génie civil et sur

les études hydrogéologiques. En ce qui concerne leurs applications à Madagascar, la géophysique a montré, plus

d"une fois, sa nécessité et son importance dans plusieurs études : études hydrogéologiques,

minières, pétrolières et géologiques, cartographie, etc. Quant à la prospection sismique de

surface, son utilisation se résume généralement à l"exploration pétrolière on shore ; et son

utilisation dans d"autres domaines est rare, voire inexistante. Le présent mémoire montre un exemple d"étude utilisant les deux techniques,

réflexion et réfraction, de prospection sismique de surface à faible profondeur. Il montre

2

également les résultats de calcul des constantes élastiques à partir des résultats de la sismique

réfraction. On donnera, en premier lieu, un aperçu de la théorie de la sismique de manière à faciliter la compréhension des deux méthodes de prospection sismique de surface : sismique

réflexion et sismique réfraction, ensuite on examinera plus en détail les équipements

nécessaires pour la réalisation de prospection sismique de surface. Enfin, on abordera un

exemple d"application d"étude sismique avec les résultats et discussions correspondants et on conclura avec quelques perspectives. 3

I. RAPPELS THEORIQUES DE SISMIQUE

La méthode sismique est fondée sur la propagation dans le sol d"ondes élastiques

générées par des sources artificielles; comme cette propagation dépend des propriétés

élastiques des roches, il est indispensable d"énoncer certaines bases de l"élasticité. La dimension et la forme d"un corps solide peuvent se modifier si l"on applique des forces à la surface de ce corps. A ces forces externes, correspondent des forces internes qui s"opposent aux changements de dimension et de forme. Aussi, le corps tend à revenir à saquotesdbs_dbs12.pdfusesText_18

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