Data processing of induced seismicity : estimation of errors and of their impact on geothermal reservoir models

par Xavier Kinnaert

Thèse de doctorat en Géophysique

Sous la direction de Ulrich Achauer et de Thomas Kohl.

Le président du jury était Frank Schilling.

Le jury était composé de Jean Schmittbuhl, Albert Genter.

Les rapporteurs étaient Tomás Fischer, Joachim R.R. Ritter.

  • Titre traduit

    Traitement des données de sismicité induite : estimation d'erreurs et de leur impact sur les modèles de réservoirs géothermiques


  • Résumé

    La localisation de séismes induits ainsi que les mécanismes au foyer associés sont des outils fréquemment utilisés afin, entre autres, d’imager la structure d’un réservoir. Cette thèse présente une technique permettant de quantifier les erreurs associées à ces deux paramètres. Par cette méthode, incertitudes et imprécisions sont distinguées. La méthode a été appliquée aux sites de Soultz et de Rittershoffen pour étudier l’impact de plusieurs critères sur la localisation de la sismicité induite. Ainsi, il a été montré que l’utilisation de capteurs installés profondément dans des puits et qu’une bonne couverture sismique azimutale réduit sérieusement les incertitudes de localisation. Les incertitudes du modèle de vitesse, représentées par une distribution gaussienne des modèles avec un écart de 5% autour du modèle de référence, multiplient les incertitudes de localisation par un facteur 2 à 3. Des simplifications utilisées pour le calcul ou une mauvaise connaissance du milieu peuvent mener à des imprécisions de l’ordre de 10% spatialement non isotropes. Ainsi, les structures du sous-sol peuvent être déformées dans les interprétations. L’application d’un tir de calibration peut néanmoins corriger ce fait en grande partie. L’étude d’erreurs associées aux mécanismes au foyer ne semble cependant pas conduire aux mêmes conclusions. Le biais angulaire peut certes être augmenté par l’omission de la faille dans le modèle de vitesse, mais dans plusieurs cas il est le même que dans le cas idéal voire diminué. En outre, une meilleure couverture sismique améliorerait toujours le mécanisme au foyer obtenu. Ainsi, il n’est pas conseillé d’imager un réservoir en n’utilisant que la localisation de séismes, mais une combinaison de plusieurs paramètres sismiques pourrait s’avérer efficace. La méthode appliquée dans le cadre de cette thèse pourra servir pour d’autres sites à condition d’en avoir une bonne connaissance a priori.


  • Résumé

    Induced seismicity location and focal mechanisms are commonly used to image the sub-surface designin reservoirs among other tasks. In this Ph.D. the inaccuracies and uncertainties on earthquake location and focal mechanisms are quantified using a three-step method. The technique is applied to the geothermal sites of Soultz and Rittershoffen to investigate the effect of several criteria on thee arthquake location. A good azimuthal seismic coverage and the use of seismic down-hole sensors seriously decrease the location uncertainty. On the contrary, velocity model uncertainties, represented by a 5% Gaussian distribution of the velocity model around the reference model, will multiply location uncertainties by a factor of 2 to 3. An incorrect knowledge of the sub-surface or the simplifications performed before the earthquake location can lead to biases of 10% of the vertical distance separating the source and the stations with a non-isotropic spatial distribution. Hence the sub-surface design maybe distorted in the interpretations. To prevent from that fact, the calibration shot method was proved to be efficient. The study on focal mechanism errors seems to lead to different conclusions. Obviously, the angular bias may be increased by neglecting the fault in the velocity. But, it may also be the same as or even smaller than the bias calculated for the case simulating a perfect knowledge of the medium of propagation. Furthermore a better seismic coverage always leads to smaller angular biases. Hence,it is worth advising to use more than only earthquake location in order to image a reservoir. Other geothermal sites and reservoirs may benefit from the method developed here.


  • Résumé

    Die korrekte Lokalisierung von induzierter Seismizität und den dazugehörigen Herdflächenlösungensind sehr wichtige Parameter. So werden zum Beispiel die Verteilung der Erdbeben und die Orientierung ihrer Herdflächenlösungen dazu benutzt um in der Tiefe liegende Reservoirs zulokalisieren und abzubilden. In dieser Doktorarbeit wird eine Technik vorgeschlagen um diemethodisch bedingten Fehler zu quantifizieren. Mit dieser Methode werden die verschiedenen Fehlerquellen, die Unsicherheiten und die Fehler im Modell getrennt. Die Technik wird für die geothermischen Felder in Soultz und in Rittershoffen benutzt um den Einfluss verschiedener Parameter (Annahmen) auf die Lokalisierung der induzierten Seismizität zu bestimmen. Es wurde festgestellt, dass Bohrlochseismometer und eine gute azimutale Verteilung der seismischen Stationen die Unbestimmtheiten verkleinern. Die Geschwindigkeitsunbestimmheiten, die durch eine Gauss-Verteilung mit 5% Fehler dargestellt werden, vervielfachen die Lokalisierungsungenauigkeiten um einen Faktor 2 bis 3. Eine ungenaue Kenntnis des Untergrunds oder die verwendete vereinfachte Darstellung der Geschwindigkeitsverhältnisse im Untergrund (notwendig um die synthetischen Rechnungen durchführen zu können) führen zu anisotropen Abweichungen und Fehlern in der Herdtiefe von bis zu 10%. Diese können die Interpretationen des Untergrunds deutlich verfälschen. Ein “calibration shot” kann diese Fehler korrigieren. Leider können die Fehler für die Herdflächenlösungen nicht in derselben Weise korrigiert werden. Es erscheint daher als keine gute Idee, ein Reservoir nur über die Lokalisierung von Erdbeben zu bestimmen. Eine Kombination mehrerer seismischer Methoden scheint angezeigt. Die hier besprochene Methode kann als Grundlage dienen für die Erkundung anderer (geothermischer)


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