Etude des observables sismiques en ondes de surface pour la détection et caractérisation de cavités souterraines : approches numérique et expérimentale

Study of seismic observables in surface waves for the detection and characterization of underground cavities : a numerical and experimental approach

• Auteur / Autrice : Céline Filippi
• Direction : Donatienne Leparoux, Gilles Grandjean, Adnand Bitri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre
• Date : Soutenance le 30/01/2019
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Écologie Géosciences Agronomie Alimentation (Rennes ; 2016-2022)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux (France ; 2011-2019)
• Jury : Président / Présidente : Yann Capdeville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Bodet, Loïc Le Marrec, Frédéric Nguyen, Jean Virieux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffraction

Grottes

Ondes de surface

Ondes sismiques

Mots clés libres

Rapports spectraux h/v

Résumé

La présence de cavités souterraines anthropiques ou naturelles est la cause de nombreux problèmes d'effondrements du sous-sol. La détection et caractérisation de ce type de cavité restent un challenge pour la géophysique du fait de la complexité des milieux de la subsurface. Pour répondre à ce besoin, nous proposons une approche par mesures de sismique active qui se base sur l'étude des effets de la cavité sur les ondes de surface de type Rayleigh. Les limites des différentes méthodologies mises en place à ce jour ne permettent pas de remonter avec précision aux paramètres de la cavité car les interactions entre les ondes de Rayleigh et la cavité sont mal identifiées et non prises en compte. Dans ce cadre, nous cherchons à définir de nouvelles observables sismiques porteuses d’informations en vue de proposer une méthode d’imagerie des cavités souterraines adaptée à la subsurface. Nous utilisons une approche combinée basée sur de la modélisation numérique et expérimentale à échelle réduite. L'analyse des tirs sismiques et des phénomènes associés a permis de définir des observables robustes, basées notamment sur la prise en compte de la composante horizontale. Leur sensibilité est étudiée en fonction des paramètres de la cavité comme son diamètre ou sa profondeur en lien avec la longueur d’onde propagée. Les résultats démontrent ainsi l'importance de la composante horizontale très sensible à la cavité. En effet, l'analyse de l’ellipticité du déplacement particulaire à travers les rapports H/V révèle de fortes perturbations au voisinage de l'hétérogénéité “cavité”. Des acquisitions menées sur le terrain visent à initier des tests de faisabilité en milieu réel.

Many underground collapses are due to the presence of natural and anthropogenic cavities in the subsurface. The detection and characterization of this kind of cavity remain a challenge for geophysical methods, due to the complexity of subsurface media. To address this need, we suggest a method based on active seismic measurements to study the influence of a cavity on surface Rayleigh waves. So far, the different methodologies proposed in the literature are not able to precisely assess the cavity parameters, because the interactions between the void and Rayleigh waves are poorly identified and not taken into account. In this context, we define new seismic observables bearing information, with the aim of suggesting a new underground cavity imaging method suitable for subsurface environments. Our approach combines numerical modelling and reduced scale experimentations. The analysis of seismic recordings and associated phenomena lead us to define robust observables, especially based on the consideration of the horizontal component. Their sensibility is studied as functions of the cavity parameters, such as its diameter or its depth regarding the propagated wavelength. Our results demonstrate the significance of the horizontal component, which is highly sensitive to the presence of an object such as a cavity. Indeed, the analysis of the particular displacement ellipticity through H/V spectral ratios reveals strong perturbations in the vicinity of the heterogeneity caused by a void. In addition, several field data have been carried out and in the aim to initiate feasibility tests in real media.