Suivi de la redistribution spatio-temporelle de l'eau dans le sous-sol par des méthodes sismiques

Monitoring spatio-temporal water redistribution in the subsurface with seismic methods

• Auteur / Autrice : Lara Antonia Blazevic
• Direction : Ludovic Bodet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrogéophysique
• Date : Soutenance le 18/09/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Milieux environnementaux, transferts et interactions dans les hydrosystèmes et les sols (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Florsch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathilde Adelinet, Henri Robain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Albane Saintenoy, Florent Brenguier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode sismique-réfraction

Ondes de surface

Eaux souterraines -- Écoulement

Hydrogéophysique

Mots clés libres

Hydrogéophysique

Méthodes sismiques

Time-lapse

Saturation en eau

Zone vadose

Relations pétrophysiques

Hydrogeophysics

Seismic methods

Time-lapse

Water saturation

Vadose zone

Petrophysical relationships

Résumé

La caractérisation et la surveillance des systèmes d'eau souterraine sont fondamentales pour la conservation et la gestion des ressources en eau souterraine. Dans cette intention, l'hydrogéophysique fournit une série de méthodes non invasives pour étudier l'environnement souterrain peu profond et les processus qui s'y déroulent sur plusieurs échelles. Les applications hydrogéophysiques à méthode dites time-lapse sont notamment utiles pour surveiller la dynamique de l'eau et suivre les variations temporelles de la teneur en eau. Largement dominées par des méthodes électriques et électromagnétiques, ces applications sont de plus en plus explorées avec des méthodes sismiques. Le signal sismique dépend des propriétés mécaniques du milieu qui sont à leur tour affectées par les changements de teneur en eau. Par conséquent, les réponses sismiques sont également influencées par les propriétés et variables hydrologiques. Néanmoins, les complexités liées à la description du comportement mécanique de matériaux peu profonds et partiellement saturés limitent la caractérisation quantitative de la subsurface et la dynamique de l'eau associée par les méthodes sismiques. Dans ce travail, nous étudions l'évolution temporelle des réponses sismiques en fonction des variations de teneur en eau par la méthode de time-lapse acquise sur le terrain. Nous analysons à la fois les données et les paramètres inversés et nous comparons ensuite les tendances résultantes avec des relations pétrophysiques établies. De cette façon, nous montrons que les inversions sismiques en time-lapse des données de réfraction de l'onde P et les changements correspondant à la vitesse de propagation des ondes permettent la reconnaissance des chemins d'écoulement préférentiels de l'eau dans la subsurface, mettant ainsi en évidence le potentiel des méthodes sismiques pour surveiller les processus hydrologiques et les écoulements non saturés. De manière générale, on observe un fossé d'observations entre les estimations quantitatives de la teneur en eau obtenue par les paramètres sismiques inversés et les corrélations qualitatives, jusqu'à présent dominantes, reliant la vitesse sismique aux relations pétrophysiques théoriques. Cet écart d'observation pourra être comblé par de nouvelles études sismiques en time-lapse sur le terrain. À la suite des progrès récents d'équipement et techniques sismiques, les relations pétrophysiques à l'échelle du terrain joueront un rôle important dans le développement de méthodes sismiques pour des applications hydrologiques.

The characterization and monitoring of subsurface water systems are fundamental to groundwater resources conservation and management. To this end, hydrogeophysics provides a suite of non-invasive methods to study the shallow subsurface environment and the processes occurring therein over multiple scales. Time-lapse hydrogeophysical applications are notably useful to monitor water dynamics and follow temporal variations in water content. Largely dominated by electrical and electromagnetic methods, these applications are being increasingly explored with seismic methods. The seismic signal is dependent on the mechanical properties of the medium which are in turn affected by changes in water content. Consequently, seismic responses are also influenced by hydrological properties and state variables. Nonetheless, complexities in describing the mechanical behavior of partially saturated shallow materials have limited the quantitative characterization of the subsurface and associated water dynamics by means of seismic methods. Here we investigate the evolution of seismic responses with varying water content in time-lapse field contexts, analyzing both data and inverted parameters, and compare the resulting trends with established petrophysical relationships. We show that seismic time-lapse inversions of P-wave refraction data and corresponding changes in wave propagation velocity enable the recognition of preferential water flow paths in the subsurface, highlighting the potential of seismic methods to monitor hydrological processes and unsaturated flow. Overall, qualitative agreements between seismic velocity trends and theoretical petrophysical relationships still eclipse accurate quantitative estimations of water content from inverted seismic parameters. We anticipate further time-lapse seismic field studies to help bridge the gap between qualitative and quantitative observations. In the wake of the recent advancements in seismic equipment and techniques, appropriate field-scale petrophysical relationships will play an important role in the development of seismic methods for hydrological applications.