Études expérimentales et numériques de la propagation d'ondes sismiques dans les roches carbonatées en laboratoire

Experimental and numerical studies of seismic wave propagation in carbonate rocks at the laboratory scale

• Auteur / Autrice : Chengyi Shen
• Direction : Daniel Brito, Julien Diaz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance le 03/06/2020
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des fluides complexes et de leurs réservoirs (Pau) - Laboratoire des Fluides Complexes et leurs Réservoirs / LFCR - Advanced 3D Numerical Modeling in Geophysics

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sismologie

Roches carbonatées

Mots clés libres

Expérimentation

Carotte carbonatée

Pulse laser

Vibromètre laser

Simulation par éléments finis

Tomographie multi-grille

Experiment

Carbonate core

Pulse laser

Laser vibrometer

Finite-element simulation

Multi-grid tomography

Résumé

Par la présente étude nous expliquons et illustrons nos travaux sur la propagation d'ondes sismiques en roche carbonatée avec des approches expérimentale et numérique à l'échelle des carottes géologiques au laboratoire. Notre objectif principal consiste à produire des données sismiques qui sont comparables aux données du terrain dans l'optique de transférer au laboratoire les connaissances et techniques acquises et développées pour la sismique de terrain. En retour, les données acquises dans des conditions bien contrôlées à l'échelle du laboratoire peuvent contribuer aux benchmarking tests sur les approches d'imagerie les plus récentes ainsi que les procédures de traitement des données. Sonder les roches naturelles par les ondes ultrasonores est plutôt commun dans de nombreux domaines tels la diagraphie acoustique, le génie civil et la science des matériaux. En termes de sources sismiques, les transducteurs piézoélectriques (PZT) couramment utilisés, ainsi qu'un pulse laser utilisé spécialement dans le cadre de nos mesures, sont appliqués aux configurations expérimentales. En termes de récepteurs, un vibromètre laser monopoint (LDV) est employé dans la plupart des expérimentations. En outre, un vibromètre 3D fut utilisé pour des mesures multi-composantes. L'originalité de ces travaux se trouve dans la caractérisation intégrale de la source laser dans un contexte géophysique et son application sur les carottes carbonatées comme une source sismique Haute Fréquence (HF, Mégahertz), ce qui nous permet de proposer des configurations originales et efficaces pour sonder les carottes carbonatées, aussi bien en expérimentation qu'en simulation. Nous avons construit et validé un prototype comprenant une configuration source-récepteur de type PZT-LDV ou Laser-pulse-LDV. Quant à la simulation numérique, nous avons adapté un code Fortran, initialement dédié au développement à l'échelle du terrain, aux productions numériques à hautes fréquences (HF) à l'échelle du laboratoire. Nous détaillerons les résultats des calibrations sur les outils expérimentaux et numériques ainsi qu'une analyse de la polarisation sur des mesures multi-composantes, les résultats de la caractérisation de la source pulse-laser et ceux de la tomographie en se basant sur les temps des premières arrivées (FAT). Les inversions se font avec un méthode multi-grilles. Parallèlement, des simulations par éléments finis en 2D/3D (code parallélisé) ont été effectuées avec la méthode Galerkin discontinu avec pénalité intérieure. Nous démontrerons également la possibilité d'analyser l'anisotropie sismique d'une carotte à partir du FAT. La dernière génération de méthode d'imagerie sismique fait intervenir à la fois les données observées et les données synthétiques, comme dans la méthode prometteuse de l'inversion de formes d'ondes complètes (FWI), cette méthode pouvant repousser davantage les limites de la résolution de la tomographie classique.

The present study is an experimental and numerical work on the propagation of seismic waves in carbonate rocks at the laboratory-scale. We aim at producing seismic data that are comparable with field data so as to transfer the knowledge and techniques acquired and developed in field into the laboratory. In return, well-controlled laboratory-scale data can contribute to benchmarking tests on the latest imaging approaches as well as data processing procedures. Ultrasonic probes on natural rocks are fairly common in numerous engineering fields such as geophysical logging, civil engineering and materials science. In terms of ultrasonic sources, both the conventional piezoelectric transducer (PZT) and the laser-ablation pulse are used as a seismic source in our experimental configurations. In terms of receivers, a single-point Laser Doppler Vibrometer (LDV) is employed in most of the experimental setups. Additionally, a 3D wavefield-scan LDV has been used to perform multi-component measurements. The originality of this work consists in the comprehensive characterization of the laser source in a geophysical context and its use as a point-like megahertz source on the carbonate cores, which enabled us to propose original and efficient core-probing configurations for both experimentation and simulations. We developed and validated an experimental prototype featuring PZT-LDV or Laser-pulse-LDV as source-receiver configurations for high-resolution measurements. As to the numerical simulation, we adapted a Fortran code, initially dedicated to method developments at the field-scale, to the numerical production at the high-frequency (HF) laboratory-scale. We will show the results of calibrations on both the experimental and numerical tools including the polarization analysis on multi-component data, the results of the laser pulsed source characterization and the main tomography results from the First Arrival Travel-time (FAT) Tomography (FATT) featuring multi-grids, along with the parallelized 2D/3D simulations featuring the Interior Penalty Discontinuous Galerkin method (IPDGm). A brief demonstration of anisotropy analyses from FAT will also be given at the end. The latest generation of imaging method involves both the observed and synthetic data, such as the promising Full Waveform Inversion (FWI) that can push further the resolution limits of the classical tomography, which is the key motivation of our studies involving both the experiment and simulation.