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Un effondrement à Rouvroy-en-Santerre (Somme, France). © BRGM

L’imagerie sismique du proche sous-sol par interférométrie sismique en ondes de surface

01.07.2012
La méthode sismique en ondes de surface est aujourd’hui couramment utilisée pour la caractérisation des paramètres géomécaniques du proche sous-sol et la détection des cavités. Son application pour la détection de cavités souterraines reste difficile, en raison de la complexité des terrains superficiels et de la faible résolution de la méthode. Pour détecter les cavités à faible profondeur (de 0 à 20 m), le BRGM a donc engagé des recherches visant à concevoir un système d’acquisition tractable et à développer une nouvelle technique d’imagerie fondée sur le principe d’interférométrie sismique.

Formation de fontis en sommet de digue de Loire, commune de Jargeau (Loiret).

Principe de la méthode d’imagerie sismique du proche sous-sol développé par le BRGM

Développées sur décision stratégique du BRGM, ces méthodes ont très rapidement trouvé des applications concrètes dans le cadre de la mission d’appui aux politiques publiques de l’établissement.

90 km de digues en sud de Loire, de l’amont du Val d’Orléans jusqu’à la ville de Blois, ont ainsi été investigués en 2011 afin de détecter la présence éventuelle de cavités. Dans son principe, la méthode consiste à implanter des capteurs (géophones) dans le sol, puis à générer une onde élastique (via un « tir »), et à analyser la propagation des ondes de surface. Dans les milieux stratifiés, où chaque couche du sous-sol est caractérisée par des propriétés mécaniques différentes, l’onde de surface est dispersive : la vitesse de propagation varie avec la fréquence. Chaque composante fréquentielle de l’onde se propage dans une épaisseur de terrain différente, les plus hautes fréquences se retrouvent dans les parties les plus superficielles alors que les basses fréquences permettent d’investiguer les plus grandes profondeurs.

Différence entre technique classique et méthode de traitement par interfométrie sismique en ondes de surface

Le traitement conventionnel consiste à calculer et à inverser la dispersion de chaque tir pour en déduire la vitesse de cisaillement (Vs) des ondes dans le milieu et en tirer des enseignements sur la nature géomécanique du proche sous-sol et ses hétérogénéités. Applicable à un site donné, elle s’avère plus contraignante à mettre en oeuvre pour l’étude d’un linéaire important. Avec le système d’acquisition développé et la méthode de traitement par interfométrie sismique en ondes de surface, en revanche, ces verrous sont levés.

Pour proposer ce que l’on pourrait apparenter à une « échographie » du sous-sol, la technique s’appuie toujours sur l’enregistrement des ondes sismiques de surface, mais sa différence majeure avec la technique classique porte sur l’interprétation du signal. Celle-ci est en effet fondée sur la considération d’un tir-pilote, sorte de « tir référence » réalisé en milieu non-perturbé, et auquel tous les autres tirs vont être comparés. L’opération mathématique de corrélation croisée (cross-correlation) permet de mesurer le niveau de ressemblance de chacun des tirs suivants avec le tir de référence, et ainsi analyser le long du linéaire la variabilité latérale de la propagation des ondes de surface. Avec cette méthodologie, il est non seulement possible d’identifier les cavités souterraines mais également de caractériser leurs propriétés via l’estimation de la vitesse de cisaillement.

Avantage de la méthode de traitement par interfométrie sismique

Plus rapide (car ne nécessitant plus de réaliser l’analyse systématique de la dispersion pour chaque tir), plus souple (les géophones ne sont pas implantés dans le sol mais posés en surface et tractables), et très sensible aux perturbations du milieu, cette nouvelle technique permet de s’affranchir des problèmes liés aux complexités des terrains, et donne une meilleure résolution que les techniques existantes. Elle représente une avancée majeure dans le domaine de l’identification des risques liés aux cavités souterraines.

BRGM - 3 avenue Claude-Guillemin - BP 36009 45060 Orléans Cedex 2 - France Tél. : +33 (0)2 38 64 34 34