Imagerie différentielle en ondes de surface sismiques et ultrasonores pour le monitoring de structures anthropiques et du proche sous-sol environnant

Seismic and ultrasonic surface wave differential imaging for monitoring anthropogenic structures and the surrounding subsurface

• Auteur / Autrice : Ao Wang
• Direction : Donatienne Leparoux, Odile Abraham
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l’environnement
• Date : Soutenance le 26/11/2020
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Écologie Géosciences Agronomie Alimentation (Rennes ; 2016-2022)
• 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 : Éric Beucler
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Bodet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ayse Kaslilar, Hervé Chauris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation globale

Inversion (géophysique)

Zone critique de la Terre

Ondes sismiques

Mots clés libres

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Résumé

Les 1ers mètres du sous-sol, la Zone Critique, concentrent de nombreuses activités humaines. La ZC est aussi le siège de perturbations en raison du changement climatique à travers des variations du niveau des nappes, de modifications hydriques et mécaniques qui augmentent l’érosion et les risques de dommages voire d’effondrements. Aussi, la surveillance de la subsurface et de ses structures anthropiques est actuellement un enjeu majeur. De ce fait, les méthodes géophysiques, notamment sismiques permettant d’évaluer les paramètres mécaniques du milieu sont intéressantes. Parmi elles, la technique MASW basée sur les Ondes Sismiques de Surface estime un profil 1D de vitesses d’ondes S. La donnée inversée correspond à la dispersion de la vitesse de phase (Vph) ou de groupe. Cependant, la précision des solutions inverses par MASW ne discrimine pas les variations de Vs de quelques pourcents. Ces limites sont dues au niveau d’incertitude des mesures mais aussi à la sensibilité de la donnée aux paramètres du milieu. Pour lever ce verrou, nous proposons 3 alternatives méthodologiques. La première propose d’inverser la dérivée fréquentielle de Vph. Les 2 autres reposent sur l’inversion de données différentielles. Dans la première, il s’agit de la distance statistique entre les lobes principaux des diagrammes de dispersion assimilés à des histogrammes. Dans la deuxième, il s’agit de formulation analytique par approximation linéaire de Vph. Ces propositions sont appliquées à des modèles bicouches, tant sur des données synthétiques que sur des mesures de laboratoire sur du béton et par interférométrie laser sur des modèles en résines.

The 1st meters of the underground media, the Critical Zone, involve many human activities. It is also the site of disturbances due to climate change through variations in the level of the water table, hydric and mechanical modifications that increase erosion and the risks of damage or even collapse. Therefore, monitoring of the subsurface and its anthropogenic structures is currently a major challenge. Therefore, geophysical methods, especially seismic methods, which allow to evaluate the mechanical parameters of the environment, are interesting. Among them, the MASW technique based on Surface Seismic Waves estimates a 1D-profile of S wave velocities. The inverted data corresponds to the dispersion of the phase velocity (Vph) or group velocity. However, the accuracy of the MASW inverse solutions does not discriminate Vs variations lower than a few percent. These limits are due to the current level of measurements uncertainty but also to the sensitivity of the data to the medium parameters. To overcome this key issue, we propose 3 methodological alternatives. The first proposes to invert the frequency derivative of Vph. The 2 others are based on the inversion of differential data. In the first one, it is the statistical distance between the main lobes of dispersion diagrams assimilated to histograms. In the second, it is an analytical formulation by linear approximation of Vph. These proposals show a contribution of the resolution for typical two-layer models of the subsurface, based on synthetic data and laboratory measurements by laser interferometry on resin and concrete models.