Développements méthodologiques à partir de formes d'ondes multicomposantes en vue de l'imagerie sismique quantitative de la proche surface : modélisation physique à échelle réduite, traitements et inversion de la polarisation

Methodological developments for near surface quantitative imaging with seismic multicomponent measurements : reduced scale physical modelling, processing and waveform inversion of particle motion polarization

• Auteur / Autrice : Raphaël Valensi
• Direction : Philippe Côte, Donatienne Leparoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers, Géophysique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques
• Jury : Président / Présidente : Hervé Chauris
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Côte, Donatienne Leparoux, Hervé Chauris, Philippe Roux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Roux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Ondes électromagnétiques -- Polarisation

Ondes sismiques

Imagerie sismique

Mots clés libres

Géophysique de proche surface

Traitement de signaux sismiques

Données multicomposantes

Inversion d'observables alternatifs

Modélisation physique à échelle réduite

Résumé

Dans le cadre de l’Inversion de la Forme d’Onde sismique pour l’imagerie du proche sous-sol, l’acquisition de données multicomposantes ouvre de nouvelles perspectives. Ce travail de thèse propose d’explorer les potentiels de l’inversion des deux composantes du champ dans une configuration P-SV pour l’auscultation des milieux superficiels où les ondes de surface dominent. L’approche met en jeu des développements formels, des tests numériques et des développements expérimentaux en laboratoire. Dans un premier temps, une nouvelle forme de fonction objectif pour l’inversion de la polarisation est définie à partir d’une métrique intrinsèque dans l’espace des états de polarisation. Dans un second temps, en adaptant un code d’inversion fréquentiel (FWT2D-PSV), les bénéfices et limites associées sont investigués numériquement en ciblant les différentes sources d’erreurs possibles sur les paramètres de densité, l’atténuation et les effets couplage sources/récepteurs. L’application à un modèle présentant une interface de profondeur variable permet ensuite de mettre en oeuvre les nouveaux développements en contexte d’imagerie de la subsurface. Puis, en vue d’une validation expérimentale, la troisième phase de l’approche concerne l’extension d’un banc de mesures (MUSC) pour la modélisation physique à échelle réduite vers des dispositifs multicomposantes. Les performances d’un interféromètre-laser innovant intégré au banc de mesure sont déterminées quantitativement en incluant les observables de polarisation. Enfin, deux applications à des problématiques de proche surface sont présentées : la détection de cavités souterraines et l’imagerie d’un milieu à interface latéralement variable.

Within the framework of Seismic FullWaveform Inversion (FWI) applied to near surface imaging, multicomponent data open new prospects. In this thesis, the potential of bi-component measurements in a 2D/P-SV configuration is investigated for shallow media where surface waves dominate signal. This approach combines formal developments, numerical tests and laboratory experiments. First, using an intrinsic metric in the polarization states space, a new kind of cost-functions for the polarization inversion is introduced. Then, with an adapted version of the FWI code FWT2D-PSV, several numerical experiments are conducted in order to investigate the limits of this approach with different sources of bias as erroneous a priori concerning the density or the attenuation parameters and source/receivers coupling effects. The new methodological developments are then evaluated in case of a near surface configuration with variable depth shallow interfaces. With a view of experimental validation, the third step concerns the upgrade of a reduced scale physical modelling bench (MUSC) in order to model multicomponent seismic acquisitions. Performances of the laser interferometer integrated in the measurement bench are quantitatively determined, especially for several polarization observables. Finally, two applications of this experimental facility to near-surface configuration are presented : shallow cavity detection and laterally varying interfaces.