Étude des processus d'instabilités des versants rocheux par prospection géophysique : apport du radar géologique

• Auteur / Autrice : Mathieu Jeannin
• Direction : Denis Jongmans
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Résumé

L'évaluation de la stabilité des falaises est complexe, du fait de l'incertitude des mécanismes de rupture et de la méconnaissance de l'état de fracturation interne du massif. Les méthodes géophysiques permettent d'obtenir de l'information sur la structure interne du massif. Le radar géologique a montré son efficacité pour détecter et caractériser les fractures. Plusieurs profils radar (réflexion, transmission, CMP) sont testés sur deux falaises verticales calcaires proches de Grenoble. La combinaison de profils verticaux et horizontaux permet de mieux contraindre la géométrie 3D du réseau de fractures. Les analyses de vitesses radar, déduites des acquisitions CMP, permettent de caractériser directement les larges fractures ouverture en profondeur. La tomographie radar fournit une image 2D de l'intérieur du massif, mais avec une trop faible résolution. Dans une gamme de fréquences donnée, la détection de fractures par le radar va dépendre de l'ouverture et du remplissage, qui contrôlent le coefficient de réflexion. Une stratégie de caractérisation des fractures est proposée en utilisant la sensibilité fréquentielle de la réflectivité. L'inversion des coefficients de réflexion radar, basée sur un algorithme de voisinage, permet de retrouver les paramètres caractéristiques des fractures modélisées. La méthode du rapport spectral entre un signal réfléchi (mesuré) et un signal de référence (connu), permet de calculer facilement le coefficient de réflexion. Une étude numérique 2D (FDTD) est menée pour le choix du signal de référence. L'inversion des coefficients de réflexion radar synthétiques est testée pour une configuration de fracture ouverte rencontrée sur le terrain.

Rock cliff stability assessment is a complex problem, mainly due to the numerous failure mechanisms and to the lack of knowledge concerning the internal fracturing state of the rock mass. Geophysical methods can give information on the internal structure of a rock mass in terms of discontinuities. The Ground Penetrating Radar (GPR) is a very efficient method to detect and characterize the fractures. Multi-frequency GPR measurements (conventional 2D profiles, CMP and transmission data) are carried out on two vertical limestone cliffs near Grenoble. The results show that the 3D geometry of the fractures network can be retrieved by combining vertical and horizontal GPR profiles performed along the cliff. Velocity variations, deduced from CMP acquisitions can directly characterize large open fractures. Radar tomography provides 2D velocity images of the rock mass, but with a poor resolution. In a given frequency range, fractures detection by GPR depends on the opening and the filling, which control the reflection coefficient. A strategy for fractures characterization is proposed by using the frequencial sensitivity of the reflectivity. The inversion of the radar reflection coefficients, by using a Neighbourhood Algorithm, converges towards the correct parameters of the modelled fractures. The spectral ratio method, between a reflected signal (measured) and a reference signal (known) allows to easily calculate the reflection coefficient. A numerical 2D study (FDTD) is carried out in order to choose the reference signal. The inversion of the synthetic reflection coefficients, tested for an open fracture configuration observed on a studied site, permits to validate the method.