Technical Report NTB 97-05

Le projet « Further Development of Seismic Tomography» (perfectionnement de la tomographie sismique) comprend deux parties: d'une part, l'évaluation et le test de sources sismiques souterraines en vue d'applications sur de plus grandes distances; d'autre part, l'amélioration de la stabilité, de la qualité et de la résolution des méthodes d'analyse (inversion).

Diverses sources sismiques à haute fréquence ont été testées au laboratoire souterrain du Grimsel (LSG) (Bühnemann, 1996; Bühnemann & Holliger, 1998), dans le but de faciliter les futures études tomographiques de sites potentiels de dépôt final. Un objectif-clé a été l'identification de sources sismiques dans les forages et les galeries, susceptibles de générer et de maintenir des signaux à haute fréquence sur des distances allant jusqu'à 1000 m. Les sources sismiques ont été placées à la fois dans des forages remplis d'eau (dispositif à étincelles «sparker », deux sources piézo-électriques, explosif) et sur la paroi de la galerie (marteau à air comprimé, mini-vibrateur, pistolet à chevilles, pistolet de forage, explosif). Pour évaluer et comparer les caractéristiques des différentes sources, on a analysé l'onde P directe ainsi générée, au niveau de la décroissance du rapport signal/bruit, de la fréquence dominante en fonction de la distance (offset), ainsi que de la distance maximale permettant d'identifier les premières arrivées. L'évaluation montre que les petites charges explosives (5 à 100 g) présentent les caractéristiques d'énergie et de fréquence les plus favorables. Au LSG, on a atteint la distance voulue d'environ 1000 m avec des charges explosives de 50g ou plus. Aucune des sources testées n'a pu propager des fréquences de 1000 Hz sur des distances dépassant 100 à 200 m.  

Les ondes sismiques sont fortement amorties dans la zone du LSG. Les valeurs Q, estimées à l'aide du rapport spectral et du temps de croissance («rise time»), vont de 20 à 60, la moyenne étant de 35 et l'erreur standard de 20% ou moins (Holliger & Bühnemann, 1996). Cela explique la diminution rapide des hautes fréquences avec l'augmentation de l'offset. Dans les régions de recherche du «Zürcher Weinland» (Argiles à Opalinus) et du «Wellenberg» (marnes), on s'attend à un amortissement semblable (Schön, 1996; Tonn, 1989). Dans le socle cristallin du nord de la Suisse, on s'attend à ce que cet amortissement soit plus faible et à ce que la propagation des ondes sismiques soit d'autant meilleure.  

La paroi du forage sera endommagée même si on recourt à de faibles charges explosives (5 g) comme source sismique. Cela a été confirmé par les mesures du televiewer réalisées après les explosions dans le forage BOGS 84.041 a.  

Dans la partie du projet consacrée à l'amélioration et au perfectionnement des techniques d'analyse sur le plan de la stabilité, de la qualité et de la résolution, trois techniques d'inversion ont été testées et mises au point à l'aide des données US85 (Gelbke, 1988). On a recouru à deux inversions du temps de transit (Anisotropic Velocity Tomography – AVT, Pratt & Chapman, 1992, et Coupled Inversion – CI, Maurer, 1996), et à une inversion du champ d'ondes (Wavefield Inversion – WFI, Song et aL, 1995).  

Lors de la première inversion des données US85, plusieurs problèmes sont apparus avec la méthode SIRT (Simultaneous Iterative Reconstruction Technique), en raison de l'anisotropie des vitesses de propagation dans la roche et des incertitudes liées à l'emplacement des forages. Pour l'inversion AVT, on tient compte de l'anisotropie de vitesse de la roche en tant que paramètre libre: cela suppose la production de tomogrammes d'anisotropie en plus de la production d'une image de vitesse «isotrope». Le fait de tenir compte de l'anisotropie de la roche permet d'expliquer les artefacts de l'inversion SIRT et de stabiliser l'inversion du temps de transit. 

Concernant les techniques d'inversion tomographique actuellement utilisées, on suppose en principe que les coordonnées des forages et des galeries contenant les sources sismiques et les récepteurs sont précisément connues. En inversant les données synthétiques et les données de temps de transit observées, on peut démontrer que des erreurs de coordonnées relativement faibles (1 à 2%) dans les sections les plus profondes de longs forages (> 100 m) peuvent produire des artefacts dans les images tomographiques, dont l'étendue et l'amplitude sont comparables à de véritables anomalies de vitesse. Pour résoudre ce problème, on recourt normalement à la méthode d'inversion couplée CI (Coupled Inversion, Maurer 1996), tant pour définir des ajustements de coordonnées de forage, que pour évaluer l'image tomographique. Cette méthode est utilisée couramment dans les études de tremblements de terre. Les inversions couplées de deux sous-ensembles de données de temps de transit indépendants (champ US1 et US2 comprenant un forage central commun BOUS85.003) et les inversions couplées de tout l'ensemble de données (champ US1, US2 et US3) permettent des ajustements de coordonnées cohérents pour tous les forages. On peut ainsi expliquer les artefacts de l'inversion SIRT et stabiliser l'inversion du temps de transit. 

D'autres recherches à l'aide de données synthétiques ont montré qu'il est impossible, pour les données du LSG, de distinguer une anisotropie faible des incertitudes sur les forages, en se basant uniquement sur des temps de transit. Mais vu les résultats des inversions, les deux effets sont vraisemblablement présents.  

Avant le traitement des données de terrain, l'inversion du champ d'ondes WFI a été testée à l'aide de données synthétiques. Deux ensembles de données synthétiques ont été utilisés: le premier a été créé avec le logiciel d'équation d'onde (acoustique) utilisé pour l'inversion d'ondes. Le second a été créé à l'Université de Leipzig, par le groupe du Professeur Korn. Les données du Professeur Korn comprennent toute une simulation 2D des ondes élastiques.

Les données synthétiques ont été entièrement traitées à l'aide de la séquence utilisée pour les données de terrain. Cette séquence se compose de:

i) La représentation tomographique du temps de transit

ii) Le traitement préalable des données (projection de données à plusieurs composantes, utilisation de fenêtres de temps des trains d'ondes – «time windowing » – et normalisation des amplitudes)

iii) Inversion du champ d'ondes dans le domaine des fréquences.  

Les résultats obtenus avec les données synthétiques confirment qu'une forte augmentation de la résolution, par rapport à la tomographie du temps de transit, est possible avec l'inversion du champ d'ondes. Les données synthétiques permettent la définition fiable d'une séquence optimale de traitement préalable et confirment aussi que la normalisation des amplitudes, qui est nécessaire pour les données réelles, n'a pas de répercussion négative sur les représentations définitives des vitesses. Cette normalisation permet au contraire une amélioration du taux de convergence.

Deux différences fondamentales séparent les données réelles des données synthétiques. Premièrement, les données réelles ont un niveau de bruit plus élevé, consistant en un bruit de fond aléatoire, des problèmes systématiques de décalage de temps source statique et de fausses variations d'amplitude piste-à-piste («trace-to-trace»). Le second effet, identifié dans les données réelles mais pas dans les données synthétiques est une anisotropie de l'onde P faible mais toujours présente. Ces problèmes ont entraîné les adaptations suivantes dans l'algorithme d'inversion du champ d'ondes:

i) Introduction d'une contrainte d'adoucissement des images, pour en réduire le contraste.

ii) Intégration de la fonction source dans le problème inverse. Les données ont été réparties en un certain nombre de groupes, ayant chacun une source statique à peu près constante.

iii) Introduction d'une anisotropie de base par étirement de la géométrie. Pour tenir compte de l'angle apparent du principal axe d'anisotropie, une procédure de transformation, étirement et retransformation des coordonnées a été appliquée avec succès.  

Les trois adaptations se sont révélées significatives pour l'obtention de représentations fiables et interprétables. Les images définitives montrent l'amélioration de la résolution et augmentent le niveau de caractérisation du site de recherche.  

Les tomogrammes qui en résultent ont été validés au cours de trois étapes. La première consiste en un contrôle de cohérence interne; on y compare les représentations de vitesse pour les champs séparément inversés US1 et US2 à la limite du champ d'investigation (forage BOUSB5.002). Une bonne concordance des vitesses le long du forage BOUSB5.002 a été obtenue pour toutes les techniques d'inversion.  

Dans la deuxième étape, on a évalué la concordance entre les tomogrammes et les résultats des mesures de la vitesse sismique réalisées dans les forages (diagraphies acoustiques). Des diagraphies acoustiques sont disponibles pour neuf forages du site de recherche (BOU8B5.001, BOU8B5.002, BOUSB5.003, BOBKB5.004/BOBKB6.001, BOBKB5.00B, BOBKB6.003, FEX95.001 et FEX95.002).  

Dans la troisième et dernière étape, les tomogrammes ont été comparés à un modèle géologique comprenant toutes les données géologiques et hydrogéologiques des zones US, BK et FEBEX. Par rapport à l'inversion SIRT, les deux nouvelles inversions de temps de transit (AVT et CI) donnent une image plus stable avec moins d'artefacts, qui coïncide mieux avec les vitesses acoustiques mesurées et les structures géologiques. La différence entre les inversions AVT et CI est minime. L'inversion WFI fournit la meilleure résolution et la meilleure concordance avec les résultats acoustiques et les observations géologiques, mais produit aussi l'image contenant le plus d'artefacts. La fiabilité de l'interprétation est réduite, tant du fait de fortes oscillations, principalement aux limites du champ d'investigation, que du fait qu'elle dépend plus ou moins fortement des corrections de l'anisotropie globale sélectionnées. Cette situation ne peut être améliorée qu'en perfectionnant l'algorithme pour l'équation d'onde élastique prenant en compte l'anisotropie.