Inversion jointe polarisation provoquée et sismique appliquée aux géosciences de l'environnement

Joint inversion of induced polarisation and seismic applied to environmental geosciences

• Auteur / Autrice : Jessy Richard
• Direction : André Revil
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences Pour l'Ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2024
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Ingénierie Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnements, Dynamiques et Territoires de la Montagne
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Morphodynamiques

Mots clés

Mots clés libres

Polarisation provoquée

Sismique

Inversion jointe

Pétrohysiques

Induced polarization

Seismic

Joint inversion

Petrophysics

Résumé

Au cours de la dernière décennie, différents travaux scientifiques ont permis le développement des méthodes d'auscultation géophysiques. Chaque méthode est limitée par les informations qu'elle fournit sur l'état du sous-sol et pour le suivi des phénomènes dynamiques qui s'y déroule. D'autre part chaque méthode est limitée de par sa sensibilité spatiale. Différents travaux au cours des deux dernières décennies ont montré l'intérêt de l'inversion jointe entre des données acquises en résistivité électrique et en sismique réfraction pour du monitoring de digues ou en contexte de permafrost. La résistivité électrique fournit ainsi des informations sur les variations de la teneur en eau, tandis que la sismique apporte des informations sur la résistance mécanique du sous-sol avec une sensibilité spatiale des deux méthodes qui sont complémentaires . La majorité de ces travaux utilise une variante de loi d'Archie et ne prend ainsi pas en compte le phénomène de polarisation électrique autour des grains à l'échelle microscopique. Dans les études géologiques profondes utilisant des méthodes géophysiques, des conductivités électriques anormales corrélées et de faibles vitesses ont déjà été observées. Dans la littérature géophysique, les mesures électriques et sismiques à proximité de la surface font l'objet de caractérisations pétrophysiques. C'est parce que la résistivité électrique et la vitesse sont toutes deux fonctions de la porosité. Le meilleur résultat obtenu lors de l'inversion conjointe des données de résistivité électrique et de vitesse sismique est effectué par une technique de minimisation du produit vectoriel des gradients des deux propriétés, et qui a connu un grand succès depuis. La méthode de polarisation provoquée est une technique d'imagerie géophysique qui étend la méthode de résistivité électrique aux phénomènes de polarisation basses fréquences. Cette méthode a fait l'objet de nombreux travaux novateurs ayant pour but une meilleure compréhension des phénomènes électrochimiques sous-jacents. Elle permet d'obtenir une meilleure imagerie des propriétés pétrophysiques du sous-sol comme la teneur en eau, l'argilosité, et la perméabilité en prenant en compte la conductivité dite de surface autour des grains du composite poreux. La sismique réfraction est une méthode géophysique utilisée pour étudier les propriétés en mesurant le temps de trajet mis par les ondes sismiques pour se propager à travers le milieu poreux / fracturé entre des sources émettrices et des récepteurs (géophones). Cette méthode est largement utilisée dans divers domaines, notamment la géotechnique et l'ingénierie civile. Pour ce qui est du traitement conjoint entre la polarisation provoquée et la sismique réfraction, il n'existe à ce jour aucune solution publiée sur ce sujet. Alors que la polarisation provoquée devient incontournable pour les diagnostics impliquant des variations de teneur en eau, l'inversion avec des données sismiques permettrait de préciser la distribution de la résistance mécanique du sous-sol avec des relations pétrophysiques entre propriétés géomécaniques et géoélectriques. Le projet de thèse vise à enrichir les méthodes d'auscultation géophysiques en combinant la méthode de polarisation provoquée et la méthode de sismique réfraction. Les objectifs spécifiques comprennent la caractérisation des sols, l'optimisation des procédures de traitement des signaux, le développement d'un algorithme d'inversion conjointe des deux types de signaux géophysiques, et la mise en œuvre opérationnelle des sites d'étude variés. Ce projet de thèse permettra une avancée significative dans la compréhension des propriétés du sous-sol, avec des applications pratiques concernant la géotechnique et l'ingénierie civile.

Over the last decade, a number of scientific studies have led to the development of geophysical geophysical monitoring methods. Each method is limited by the information it provides on the state of the subsoil and for monitoring the dynamic phenomena that take place there. Each method is also limited by its spatial sensitivity. Various studies over the last two decades have demonstrated the value of joint inversion between data acquired using electrical resistivity and seismic refraction for monitoring dams or permafrost conditions. Electrical resistivity provides information on variations in water content, while seismic provides information on the mechanical strength of the subsoil, with the spatial sensitivity of the two methods complementing each other. Most of this work uses a variant of Archie's law and therefore does not take into account the phenomenon of electrical polarisation around grains on a microscopic scale. In deep geological studies using geophysical methods, abnormal correlated electrical conductivities and low velocities have already been observed. In the geophysical literature, electrical and seismic measurements near the surface are the subject of petrophysical characterisations. This is because electrical resistivity and velocity are both functions of porosity. The best result obtained from the joint inversion of electrical resistivity and seismic velocity data is achieved by a technique of minimising the vector product of the gradients of the two properties, and has been very successful ever since. The induced polarisation method is a geophysical imaging technique that extends the electrical resistivity method to low-frequency polarisation phenomena. This method has been the subject of a great deal of innovative work aimed at gaining a better understanding of the underlying electrochemical phenomena. It provides a better picture of the petrophysical properties of the subsoil, such as water content, argillosity and permeability, by taking into account the so-called surface conductivity around the grains of the porous composite. Seismic refraction is a geophysical method used to study properties by measuring the travel time taken for seismic waves to propagate through the porous/fractured medium between transmitting sources and receivers (geophones). This method is widely used in various fields, including geotechnics and civil engineering. As far as the joint treatment of induced polarisation and seismic refraction is concerned, there are no published solutions on this subject to date. While induced polarisation is becoming essential for diagnostics involving variations in water content, inversion with seismic data would make it possible to specify the distribution of the mechanical strength of the subsoil with petrophysical relationships between geomechanical and geoelectrical properties. The aim of the thesis project is to enhance geophysical monitoring methods by combining the induced polarisation method and the seismic refraction method. The specific objectives include soil characterisation, optimisation of signal processing procedures, development of an algorithm for joint inversion of the two types of geophysical signal, and operational implementation of the various study sites. This thesis project will lead to a significant advance in the understanding of subsoil properties, with practical applications in geotechnics and civil engineering.