Caractérisation expérimentale et modélisations des ondes électromagnétiques générées par conversion sismoéléctrique aux interfaces des milieux poreux

Experimental characterization and modelling of electromagnetic waves generated by seismoelectric conversion at porous media interfaces.

• Auteur / Autrice : Victor Martins Gomes
• Direction : Daniel Brito, Hélène Barucq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance le 05/12/2022
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : 83656 Laboratoire des Fluides Complexes et leurs Réservoirs
• Jury : Président / Présidente : Michel Dietrich
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Dietrich, Christina Morency, M. Tygel, Clarisse Bordes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Jouniaux, Damien Jougnot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électricité en géophysique

Poroélasticité

Nano-géosciences

Mots clés libres

Conversion sismoélectrique

Milieu poreux

Poroelasticité

Géophysique expérimentale

Seismoelectric conversion

Porous media

Poroelasticity

Experimental geophysics

Résumé

Des perturbations mécaniques créées par le déplacement d'ondes sismiques dans le milieux poroeux entraînent la conversion d'énergie sismique en énergie électromagnétique (EM). Deux formes de conversion, de nature électrocinétique, ont été continuellement étudiées dans le cadre de l'exploration du sous-sol: la première est un champ d'onde strictement lié à l'onde sismique, par conséquent appelé champ cosismique, tandis que l'autre ne se produit que lors du changement de propriétés physiques aux interfaces géologiques, avec la génération d'un rayonnement d'ondes EM dont les vitesses sont classiquement supérieures à 1E6 m/s, très largement au-dessus des vitesses sismiques. En raison de la sensibilité de cette dernière conversion aux changements de lithologie, en particulier à la variation du fluide interstitiel, il est pertinent d'étudier ses effets en complement d'études sismiques ou électromagnetiques de proche surface par example. Par conséquent, il existe un effort continu pour développer et promouvoir une approche géophysique indirecte, basée sur ces conversions électrocinétiques, la méthode sismoélectrique. Cependant, des obstacles provenant du nombre de paramètres physiques impliqués dans la modélisation des effets ($geq 15$) et un manque de compréhension globale sur ces phénomènes, diffèrent pour l'instant une utilisation généralisée de la sismoélectrique: il existe actuellement deux descriptions théoriques principales, mais à ce jour, aucune validée d'une manière quantitative appropriée. En tant que contribution aux connaissances existantes sur les conversions sismo-EM, cette thèse propose un montage expérimental adaptée aux mesures simultanées des deux conversions électrocinétiques, avec un rapport signal-sur-bruit satisfaisant. Cette configuration expérimentale permet la reproduction de divers milieux géologiques, y compris des couches poreuses baignants dans différents fluides, une particularité par rapport aux expériences précédentes conçues pour étudier le même sujet. En parallèle, un code numérique déjà existant, construit en se basant sur la théorie sismo-EM la plus fréquemment utilisée, a été adapté pour modéliser l'expérience, ouvrant ainsi la voie à des comparaisons entre théorie et mesures de laboratoire. Par conséquent, une série de mesures dans des milieux homogènes et stratifiés ont été menées, ainsi qu'une modélisation numérique correspondante. Les simulations ont montré que même s'il existe des désaccords d'amplitude, dans l'ensemble, les prédictions théoriques sont en accord avec les données expérimentales. De plus, en étudiant à la fois expérimentalement et numériquement les effets de l'amincissement de la couche sur la réponse de l'interface, il a été observé qu'une amplification des signaux mesurés se produit lorsque la couche a une épaisseur égale à la moitié de la longueur des ondes de compression P. Enfin, l'effet de la conductivité du fluide sur les ondes électromagnétiques générées par l'interface a été étudié. Il a été remarqué que, dans l'expérience réalisée, les amplitudes diminuent avec l'augmentation de la conductivité, tandis que le rapport entre la réponse interfaciale et les amplitudes cosismiques augmente. De plus, la comparaison avec des simulations numériques a confirmé, à nouveau, que la théorie réussit à fournir une représentation juste des expériences.

Inside fluid-bearing porous media, mechanical disturbances created by traveling seismic waves entail the conversion of seismic into electromagnetic (EM) energy. Two forms of conversion, electrokinetic in nature, have been continually investigated in the context of subsurface exploration: the first consists of a wavefield strictly bounded to the seismic wave, therefore referred as coseismic fields, while the other only happens when the physical properties change, ergo at geological interfaces, and it radiates independently of the seismic waves, with EM-velocities (usually bigger than 1E6 m/s). Due to the sensitivity of the latter to lithology changes, in special variation in the pore-fluid, it is pertinent to near-surface investigation as a complement to reflection seismic, much like controlled-source electromagnetics. Because of that, there is a continuous effort to develop and promote an indirect geophysical procedure based on these electrokinetic conversions, the seismoelectric method. However, obstacles coming from the number of parameters involved ($geq 15$) and the lack of a comprehensive understanding of these phenomena delays a widespread use of seismoelectrics: currently there are two main theoretical descriptions, but thus far, none validated in a proper quantitative manner. As a contribution to the existing knowledge about seismic-to-EM conversions, this thesis proposes an easily reproducible experimental setup, capable of measuring both conversions at the same time, with satisfactory signal-to-noise ratio. This setup allows the reproduction of diverse geological settings, including porous layers filled with different fluids, a peculiarity with respect to previous experiments designed to study the same subject. In parallel, an existing numerical code, built upon the most frequently used set of seismo-EM governing equations, was properly adapted to model the experiment, hence opening the path to comparisons between theory and laboratory measurements. As a consequence, a series of measurements in both homogeneous and layered media were conducted, as well as their corresponding numerical modeling. Simulations showed that even though amplitude disagreements exist, overall the theoretical predictions successfully agree with experimental data. Additionally, by studying, experimentally and numerically, the effects of layer thinning on the interface response, it was observed that a boosting of the measured signals happens when the layer has a thickness equal to half the P-wavelength in this layer (P, as usual, refers to compression waves). At last, the effect of fluid conductivity on interface-generated EM waves was investigated. It was noticed that, in the experiment realized, amplitudes decrease with increasing conductivity, whereas the ratio between interface response and coseismic amplitudes increase. Also, comparison with numerical simulations confirmed again that theory succeeds in providing a fair representation of experiments.