Wikigeotech:Sismique réfraction

Principes

La Sismique Réfraction consiste en la détermination de couches de terrain de vitesse d’onde P croissante avec la profondeur et de leur épaisseur.
Elle est basée sur la mesure des temps des arrivées premières le long d'une ligne de géophones. Le calcul des vitesses puis des profondeurs du toit des réfracteurs utilise les lois de la réfraction (Snell-Descartes). A partir du même dispositif on peut réaliser une « tomographie sismique ». L’image et la valeur des Vp obtenus ne prend pas en compte l’hypothèse d’existence de réfracteurs (couches de terrain de vitesse définie). Il ne s’agit ni d’un calcul selon les lois de la réfraction, ni basé sur l’hypothèse d’un milieu géologique en couche.(voir fiche tomographie sismique)

Un minimum de 5 tirs sismiques débordant de la base de mesure est nécessaire à une interprétation de qualité (Offsets, tirs directs et inverses).

L’interprétation peut se faire au droit de chaque tir ou par des calculs plus long à chaque géophones (méthode des délais, méthode plus minus).

Applications

Géologie

Détermination de la position d’interfaces entre des terrains caractérisés par des V_p différentes : substratum rocheux sous couverture alluviale, épaisseur d’altération des massifs rocheux,...

Géotechnique

Caractérisation de la compacité (rippabilité) d’un massif rocheux par comparaison des vitesses sismiques mesurées sur le terrain avec les vitesses mesurées en laboratoire sur échantillon rocheux (ICm de l’AFTES).

La diminution de vitesse sismique est liée à l’altération de la matrice (pores, microfissuration) et à la fracturation. Les mesures de vitesses sur échantillon permettent d’apprécier l’importance de l’altération sur la matrice rocheuse. Par différence on calcule l’importance de la fracturation dans le massif rocheux.

Localisation d’anomalies

L’analyse porte sur les variations de temps d’arrivés non conformes à un modèle simple d’interprétation. Localisation de reliefs masqués (points durs, talwegs comblés...), de zones fracturées (failles,..).

La tomographie sismique peut être mieux adaptée à ces applications.

Interprétations et Précautions

La détermination des limites de rippabilité doit être conduite en intégrant non seulement la vitesse et la nature du terrain mais également contexte général (épaisseur des bancs, pendage, etc ..). La bonne connaissance régionale des formations est indispensable. Les abaques des constructeurs d’engins doivent être utilisés avec précautions car elles sont trop générales.

Pénétration

De l'ordre du 1/5 au 1/6 de la longueur de ligne

• dépend de l'énergie de la source (masse => environ 10 m maximum)
• dépend de la succession des vitesses

Précision (pour un espacement entre géophones de 2 à 5 m)

Elle dépend de la précision du pointé et de la variabilité géologique. Sur la vitesse dans les cas extrême on peu aller jusqu’à 10% sur les terrains lents Pour des vitesses proches des limites de rippabilité il faut viser des précisions accrues (augmenter le nombre de capteur et la précision du pointé). Sur les profondeurs de l’ordre de 50 cm sur les terrains superficiels, 2 à 5 m sur des terrains profonds.

Avantages

Méthode quantitative particulièrement adaptée à la détermination des états de compacité des massif rocheux (rippabilité, décompression de surface,..) ; à des terrains présentant de fort contrastes de V_p.

Limitations

Nécessitée d’une croissance des V_p avec la profondeur. Une couche lente intercalée entre 2 plus rapides ne peut être mise en évidence et elle fausse les profondeurs de toutes les couches sous jacentes.

• Interprétation délicate en situation géométrique complexe.
• Artéfact des réfracteurs présent latéralement(vallée, pente,.. ).

Mise en Oeuvre

Personnel

La mise en ouvre sur le terrain nécessite un manœuvre et un opérateur qualifié ayant reçu une formation adéquate et disposant d’une expérience significative (validation in situ de la qualité des signaux). En cas d’utilisation d’explosif c’est le personnel nécessaire à la surveillance du site qui dimensionne l’équipe.

Matériel

Il comprend 12 ou 24 géophones, des flûtes, un enregistreur sismique 12 ou 24 voies et une source sismique. La source peut être une masse, un « fusil », un dispositif de chute de poids ou de l’explosif. Le dispositif classique comprend 24 géophones régulièrement espacés.

Traitement

Logiciel spécifique de pointés puis calculs sur ordinateur à l’aide d’outils très variables depuis la simple feuille de calcul aux logiciels spécifiques très sophistiqués permettant plusieurs méthodes de calcul et la prise en compte de la topographie.

Précautions de mise en oeuvre sur le terrain

Assurer un alignement à +/- 1 m / ligne médiane (2% sur les distances tir / capteur) Échantillonnage à 0,1 ms Couplage terrain / capteur (pb en terrains lâches type éboulis ou couvert végétal de type « litière ») Éviter de longer des barres rocheuses (préférer une orientation perpendiculaire au « dur ») Préparer la mission (plans adaptés, orthophotos,..) pour faciliter le repérage sur site Éviter les GPS « de poche » trop peu précis surtout en montagne ou en forêt. DICT et autorisations administratives pour explosif

Rendement terrain

• dispositif de 60 m 24 traces 5 tirs à la masse 2 agents
  • En conditions « normales d'accès » => 4 à 6 par jour
  • En conditions difficile (zone escarpée) => 3 h + accès, qui peut imposer un 3° agent

• dispositif de 120 m 24 traces 7 tirs à l'explosif 2 agents + boutefeux
  • En conditions « normales d'accès » et de tir => 3 h + accès
  • En conditions difficiles (zone escarpée) sans contraintes de tirs => 4 h
  • Avec contraintes de tirs => peut tomber à 1 dispo / jour (créneau horaire court,..)

Temps pour l'interprétation géophysique

• Contexte simple (couches horizontales, sans anomalies...) => 3 Dispo / jour
• Contexte complexe => 1 Dispo / jour

Commande

On se réfèrera utilement au fascicule « Les contrats en géophysique appliquée » publié par l'AGAP en 2000.

Dans tous les cas, bien spécifier :

• les objectifs de la campagne (profondeur visée, résolution attendue)
• les conditions de terrain et particulièrement les accès et le débroussaillage si besoin
• il est préférable de faire visiter et c’est indispensable en cas de conditions très dures
• les contraintes sur les environnants notamment si emploi d'explosif (réseaux, voies ferrées, circulation routières, etc ...)
• le rendu final coupes sismiques et dromochroniques (plus une copie des enregistrements bruts) et un récolement des mesures (en plan et en profil, en spécifiant la précision voulue)
• nom et qualification des intervenants

Dans le cadre d’une commande de programme technique, bien spécifier en plus :

• le nombre minimal de tir dont 2 offsets (conditionne la qualité d'interprétation), le type de source
• l’espacement des géophones et l’échantillonnage en temps
• le type d’interprétation (plus minus, ..)

Contrôles des prestations

Terrain

• Implantation réelle et récolement, relevé du profil en long en cas de topographie accidentée
• S'assurer qu'un contrôle qualité des traces est effectué sur site
• S'assurer du respect des règles de sécurité si explosif (mineur titulaire du CPT, permis de tir, autorisation administrative de tir sur le chantier)
• Qualification des intervenants

Interprétation

• Fermeture des dromochroniques (vérification de l’égalité des temps de trajet direct et inverse)
• L'utilisation des offsets pour déterminer le rang du réfracteur (décalage vers le bas des offsets sur les tirs)
• Report des « anomalies terrains » sur les coupes (murs, ruisseaux...)

Référentiel techniques

Code de bonne pratique de la géophysique appliquée fiche SIS 01

Cahier de l'AGAP n°2 guide sismique réfraction

Exemples

Sismogramme et pointé (24 traces)

Dromochronique

Dispositif 12 géophones 5tirs (3 terrains avec substratum à géométrie irrégulière)

Coupe sismique (méthode plus-minus)