Thèse soutenue

Etudes expérimentales et numériques de la propagation d'ondes couplées sismiques et électromagnétiques dans des matériaux saturés non consolidés

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Auteur / Autrice : Maureen Devi
Direction : Michel DietrichStéphane Garambois
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
Date : Soutenance le 06/07/2017
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : Myriam Schmutz
Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Garambois, Jean Virieux
Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Jouniaux, Wolfgang Rabbel

Résumé

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Les premières centaines de mètres du sous-sol sont au coeur d'enjeux sociétaux importants liés aux fluides auxquels la société doit encore affronter, tels que la détéction et la surveillance des ressources en eau et de la pollution, ainsi que le rôle des fluides dans les différents types d'évaluation des risques ou en géotechnique. Cette gamme de profondeur est marquée par une forte complexité et une forte hétérogénéité aussi bien structurale et lithologique qu'en termes de mélanges de phases fluides. Parmi les méthodes géophysique disponibles, le phénomène de couplage sismo-électrique (et électro-sismique) a le potentiel d'émerger comme une nouvelle technique d'imagerie haute résolution, naturellement sensible aux contrastes des fluides. Deux signaux sismo-électrique ont été prédits et parfois observés: les signaux co-sismique éléctrique à forte amplitude et les faibles perturbations électromagnétiques générées en profondeur lorque des ondes sismiques traversent une interface. Ce deuxième phénomène est le plus prometteur, en termes d'imagerie en raison de sa sensibilité aux contrastes originaux par rapport à la réflexion sismique. L'émergence d'une méthode sismo-électrique a cependant été ralentie en raison des difficultés dans l'enregistrement de ces faibles signaux sismo-électrique. Cette thèse, basée sur la combinaison d'approches expérimentales et numériques, vise à aborder des questions pratiques concernant l'acquisition et le traitement de données sismo-électrique et électro-sismique.Dans la première partie, afin d'augmenter le rapport signal-sur-bruit (S/N) des signaux sismo-électriques, nous étudions théoriquement et expérimentalement leur sensibilité à différents arrangements d'électrodes. Pour cela, nous avons développé une théorie des filtres conçue pour évaluer l'influence d'ensemble d'électrodes pour l'acquisition des signaux sismo-électriques. Cette théorie a été confrontée avec succès à des données expérimentales sismo-électriques acquises en utilisant diverses dispositions d'électrodes (c'est-à-dire l'espacement entre les électrodes, le nombre des électrodes et la vitesse sismique apparente) et à des simulations numériques des formes d'onde complète. En particulier, cette approche explique la difficulté d'enregistrement des ondes converties sismo-électromagnétique générées en profondeur converties à une interface, lorsque la configuration dipôle classique est utilisé comme récepteur. Nous encourageons ensuite l'utilisation d'une configuration de multi-électrodes dans des mesures sismo-électriques, puisque: 1) il réduit le bruit électrique omniprésent causé par l'homme, et 2) ses propriétés de filtrage amplifient les ondes électromagnétiques provenant des interfaces en profondeur par rapport aux événements co-sismiques dominants.Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les phénomènes réciproques électro-osmotique, c'est-à-dire la génération de signaux sismiques par une source électrique dans des milieux saturés poroélastiques. Nous avons d'abord effectué des études numériques pour évaluer la nature et les propriétés des différentes arrivées sismiques générées par une source électrique dans un matériau homogène et hétérogène, à l'échelle du terrain. Ensuite, nous avons essayé d'acquérir des données de laboratoire électro-sismique dans un matériau homogène, données que nous avons de nouveau confrontées à des calculs numériques de forme d'onde complète. Les résultats montrent que les ondes électro-sismiques peuvent être observées et qu'elles sont générées localement autour de la source électrique. Nous montrons enfin que ces signaux électro-sismiques sont influencés par la conductivité des fluides.