Thèse soutenue

Inversion sismique 3D des formes d'onde complètes pour des cibles terrestres complexes

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Auteur / Autrice : Phuong-Thu Trinh
Direction : Jean VirieuxRomain BrossierLudovic Métivier
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
Date : Soutenance le 24/09/2018
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 : Yann Capdeville
Examinateurs / Examinatrices : Thomas Bohlen
Rapporteurs / Rapporteuses : Dimitri Komatitsch, René-Edouard Plessix

Résumé

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L’imagerie sismique du sous-sol à partir de données terrestres est très difficile à effectuer due à la complexité 3D de la proche surface. Dans cette zone, les ondes sismiques sous forme d’un paquet compact de phases souvent imbriquées sont dominées par des effets élastiques et viscoélastiques, couplés aux effets dus à la surface libre qui génèrent des ondes de surface de grande amplitude et dispersives.L’interaction des ondes sismiques avec une topographie plus ou moins complexe dans un contexte de fortes hétérogénéités de la proche surface induit d’importantes conversions des ondes avec de fortes dispersions d’énergie. Il est donc nécessaire de prendre en compte à la fois une représentation tridimensionnelle précise de la topographie et une physique correcte qui rend compte de la propagation du champ d’onde dans le sous-sol au niveau de précision réclamé par l’imagerie sismique. Dans ce manuscrit, nous présentons une stratégie d’inversion des formes d’onde complètes (FWI en anglais) efficace, autonome et donc flexible, pour la construction de modèles de vitesse à partir de données sismiques terrestres, plus particulièrement dans les environnements dits de chevauchements d’arrière pays(foothills en anglais) aux variations de vitesse importantes.Nous proposons une formulation efficace de cette problématique basée sur une méthode d’éléments spectraux en domaine temporel sur une grille cartésienne déformée, dans laquelle les variations de topographie sont représentées par une description détaillée de sa géométrie via une interpolation d’ordre élevé. La propagation du champ d’onde est caractérisée par une élasticité linéaire anisotrope et par une atténuation isotrope du milieu: cette deuxième approximation semble suffisante pour l’imagerie crustale considérée dans ce travail. L’implémentation numérique du problème direct inclut des produits matricevecteurefficaces pour résoudre des équations élastodynamiques composant un système différentielhyperbolique du second ordre, pour les géométries tridimensionnelles rencontrées dans l’exploration sismique. Les expressions explicites des gradients de la fonction écart entre les données et les prédictions sont fournies et inclut les contributions de la densité, des paramètres élastiques et des coefficients d’atténuation. Ces expressions réclament le champ incident venant de la source au même temps de propagation que le champ adjoint. Pour ce faire, lors du calcul du champ adjoint à partir de l’instant final, le champ incident est recalculé au vol à partir de son état final, de conditions aux bords préalablement sauvegardées et de certains états intermédiaires sans stockage sur disques durs. Le gradient est donc estimé à partir de quantités sauvegardées en mémoire vive. Deux niveaux de parallélisme sont implémentés, l’un sur les sources et l’autre sur la décomposition du domaine pour chaque source, cequi est nécessaire pour aborder des configurations tridimensionnelles réalistes. Le préconditionnement de ce gradient est réalisé par un filtre dit de Bessel, utilisant une implémentation différentielle efficace fondée sur la même discrétisation de l’espace du problème direct et formulée par une approche d’éléments spectraux composant un système linéaire symétrique résolu par une technique itérative de gradient conjugué. De plus, une contrainte non-linéaire sur le rapport des vitesses de compression et de cisaillement est introduite dans le processus d’optimisation sans coût supplémentaire: cette introductions’avére nécessaire pour traiter les données en présence de faibles valeurs de vitesse proche de la surface libre.L’inversion élastique multi-paramètres en contexte de chevauchement est illustrée à travers des exemples de données synthétiques dans un premier temps, ce qui met en évidence les difficultés d’une telle reconstruction….