Imagerie time-lapse de la déformation d'une roche à l'aide de l'inversion des formes d'ondes

Time-lapse rock deformation monitoring using waveform inversion

• Auteur / Autrice : Ssu-Ting Lai
• Direction : Nobuaki Fuji, Luis Fabián Bonilla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 28/04/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Bernard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nobuaki Fuji, Luis Fabián Bonilla, Pascal Bernard, Giuliana Rossi, Alexandrine Gesret, Stéphanie Durand
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Giuliana Rossi, Alexandrine Gesret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Roches -- Déformation

Nucléation

Roches, Mécanique des

Ondes sismiques

Ondes -- Propagation

Modélisation CFD

Mots clés libres

Modélisation numérique

Propagation des ondes

Mécanique des roches

Expérience en laboratoire

Nucléation sismique

Supervision

Méthode des éléments spectraux

Inversion de forme d'onde

Déformation des roches

Numerical modelling

Wave propagation

Rock mechanics

Laboratory experiment

Earthquake nucleation

Monitoring

Spectral element method

Waveform inversion

Rock deformation

Résumé

La supervision microscopique et macroscopique de l'évolution de la rupture est un élément clé pour nous aider à comprendre l'état des contraintes et les caractéristiques sismiques. À l'échelle microscopique, la mesure des propriétés des roches sous déformation en laboratoire nous fournit une vue globale des caractéristiques dynamiques et statistiques d'une roche. À l'aide ainsi de l'observation macroscopique, les expériences de déformation des roches à l'échelle du laboratoire nous ont apporté les connaissances essentielles pour comprendre la physique de la nucléation des séismes. La compréhension de l'évolution des fissures est également importante dans l'industrie pour surveiller le stockage des hydrocarbures et du CO2, puisque leur injection souterraine dans les réservoirs déclenche des ruptures de failles sismiques. Par conséquent, l'imagerie des scénarios de stockage time-lapse, l'étude de la sensibilité de la réponse sismique et l'investigation du processus de rupture devienneront indispensables dans l'industrie et la physique des séismes. Cette thèse propose une méthodologie d'imagerie sismique de l'état de l'art utilisant l'équation des ondes pour caractériser les changements structurels pendant la déformation de la roche. Nous avons donc développé une stratégie d'imagerie 0D et 3D time-lapse (4D) des données des expériences sismiques-actives à l'échelle du laboratoire, en proposant une méthode d'inversion pour imager efficacement les changements structurels élastiques/anélastiques pendant la déformation. Nous combinons d'abord les données observées pendant des expériences statiques et le données synthétiques pour calibrer les signaux enregistrés. Puis, nous déterminons les propriétés des ondes qui se propagent dans les échantillons. Ensuite, nous obtenons des informations sur l'hétérogénéité et l'anisotropie 3D des roches en comparant les formes d'onde observées et les synthétiques. Enfin, les méthodes d'inversion de formes d'onde et d'imagerie de migration pour les sources actives sont mises en œuvre sur les données réelles afin de reconstruire les changements de la structure localisée. La méthode d'inversion que nous proposons a un potentiel plus élevé que les méthodes classiques de laboratoire qui utilisent uniquement les temps d'arrivée.

Microscopic and macroscopic monitoring of crack evolution is a key to helping us understand the stress statement and seismic features of the failures. Microscopically, the measurement of rock properties under deformation in the laboratory provides us with a comprehensive view of a rock's dynamic and statistical characteristics. Together with macroscopic observation, laboratory-scale experiments of rock deformation have brought us the essential knowledge to understand the physics of earthquake nucleation. Understanding crack evolution is also critical in the industry for monitoring hydrocarbon and CO2 storage since their underground fluid injection in the reservoirs is known to trigger seismic fault ruptures. Therefore, imaging the time-lapse storage scenarios, studying the sensitivity of the varying seismic response and investigating the rupture process is becoming indispensable and extremely important in industry and earthquake physics. This thesis proposes a state-of-the-art time-lapse wave-equation-based seismic imaging methodology to infer structural changes during rock deformation. We thus developed 0D time-lapse and 3D time-lapse (4D) active-source seismic imaging on rock samples in the laboratory, proposing an inversion method to efficiently image the elastic/anelastic structural changes during the deformation. We first combine laboratory data of static experiments and numerical modelling to calibrate the recorded signals and determine the properties of waves propagating in the samples. Second, we obtain 3D heterogeneity and anisotropy information on rocks by comparing the observed and synthetic waveforms. Finally, waveform inversion and migration imaging methods for active sources are implemented on waveforms recorded in rock deformation experiments to reconstruct localised structural changes. Our proposed inversion method has a higher potential than the classic laboratory methods using only travel times.