1/393 juillet 2007 Étude des éboulements rocheux par méthodes géophysiques thèse présentée...

1/393 juillet 2007

Étude des éboulements Étude des éboulements rocheuxrocheux

par méthodes par méthodes géophysiquesgéophysiques

Thèse présentée parThèse présentée par

Jacques DeparisJacques Deparis

Directeurs de thèse : Stéphane GARAMBOIS - Denis Directeurs de thèse : Stéphane GARAMBOIS - Denis JONGMANSJONGMANS

2/393 juillet 2007

1. Introduction

DéfinitionDéfinition

Zone de départ

Dépôt

Monestier de Clermont

3/393 juillet 2007

Introduction

D’après Frayssines (2005)

Localisation• Configurations typiques

d’instabilités

Rupture• Approche géomécanique

• Approche historique

Propagation• Intensité du phénomène

• Modélisations mécaniques

ProblématiqueProblématique

4/393 juillet 2007

1.Introduction

Pour la détection et la localisation des fractures (géométrie)

Pour la caractérisation physique des Pour la caractérisation physique des fracturesfractures

•Nature du remplissage, ouverture ?Nature du remplissage, ouverture ?

Pour une classification instrumentale des éboulements

Pour une analyse dynamique de la rupture-propagation

Apport du Radar géologiqueApport du Radar géologique

Apport des enregistrements sismologiquesApport des enregistrements sismologiques

ouverte (air)

ponts rocheux

remplissage ?

5/393 juillet 2007

Imagerie du réseau de fracture par Imagerie du réseau de fracture par mesures géophysiquesmesures géophysiques• Le rocher du MidiLe rocher du Midi• Les gorges de la BourneLes gorges de la Bourne

Caractérisation des fractures par Caractérisation des fractures par sensibilité fréquentielle et angulaire des sensibilité fréquentielle et angulaire des ondes EMondes EM• Approche couche minceApproche couche mince• Méthodologie d’inversion des courbes APVO - validationMéthodologie d’inversion des courbes APVO - validation• Application sur des signaux acquis sur des falaisesApplication sur des signaux acquis sur des falaises

Étude dynamique d’éboulementsÉtude dynamique d’éboulements• Analogie entre les paramètres mécaniques/sismologiquesAnalogie entre les paramètres mécaniques/sismologiques• Analyses dynamiques des signaux sismologiquesAnalyses dynamiques des signaux sismologiques• Modélisation des sourcesModélisation des sources

Conclusions & PerspectivesConclusions & Perspectives

Sommaire

6/393 juillet 2007

Sommaire





7/393 juillet 2007

05

km

05

km

GrenobleGrenoble

NN

2.Imagerie de la fracturation

• Rocher du Midi (V=50000 m3) (Deparis et al, soumis)

• Gorges de la Bourne (V=2000 m3) (Deparis et al, Engineering geology, 2007)

Les sites de mesuresLes sites de mesures50

m

8/393 juillet 2007


5m

0

Fracture Fracture principalprincipalee

F2

F1

P1P2

ObjectifObjectif• Imager la continuité de la Imager la continuité de la

fracturationfracturation

ReconnaissancesReconnaissances• 2 profils réflexion2 profils réflexion

• 1 profil CMP (P2)1 profil CMP (P2)

• 2 forages destructifs (P2)2 forages destructifs (P2)

Site des gorges de la Bourne

9/393 juillet 2007


CMP : antenne 200 MHz

Tem

ps

(ns)

Tem

ps

(ns)

Pro

fon

deu

r (m

)

Vitesse NMO (cm/ns)

Vitesse d’intervalle (cm/ns)

Distance Émetteur/Récepteur (m)

Analyse de vitesse (CMP)Analyse de vitesse (CMP)

Pointé des ondes directesAnalyse de semblance

• Vitesse NMOVitesses d’intervalles (Dix,

1955)• Profil de vitesse en profondeur• Conversion des profils temps/profondeur

10/393 juillet 2007

Antenne 500 MHz

TraitementsTraitements• Filtre passe bandeFiltre passe bande

• AGCAGC

• Correction statiqueCorrection statique

• Conversion Conversion temps/profondeurstemps/profondeurs

P1 P2


Pourcentage linéaire de pont

rocheux faible (8 %)

Pourcentage linéaire de pont rocheux : 18 %

Profils radar verticauxProfils radar verticaux

Route Route

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Pro

fon

deu

r (m

)

Forage S1(diagraphie instantanée)

Trace correspondante(500 MHz)

Vitesse de rotation

instantanée normalisée

Amplitude

Validation des profilsValidation des profils

12/393 juillet 2007


ConclusionsConclusions

•La combinaison entre les acquisitions Lidar, GPR et les relevés structuraux s’est avérée efficace pour la reconnaissance d’un site

•Le radar géologique permet d’estimer le pourcentage de ponts rocheux pour évaluer la stabilité de l’aléa

•Les vitesses des ondes EM ont pu être caractérisées à l’aide d’acquisition CMP

•Les mesures ont été validées par des sondages mécaniques et par observation de la paroi après minage

13/393 juillet 2007

Sommaire





14/393 juillet 2007

3. Caractérisation physique de la fracture

Couche mince

Onde EM

?d<λf/2

Onde EM

d>λf/2

Fracture épaisse

2 ondes réfléchies distinctes

1 onde réfléchie apparente

d > /2 • 2 réflexions (Vint)

d < /2• Signal complexe = couche mince

Approche de type couche minceApproche de type couche mince

15/393 juillet 2007


R12 T21 T21

Massif (εm)

T12 R21

R21 R21

T21 T21

Couche mince (εf)

Massif (εm)

d

θi θr

θm

R = R12 + T12.T21.( ∑R21

2n+1.e-inφ )Première réflexion

Somme des réflexions multiples

avec φ=2.d.k2..cos(θm) k=ω.(μ.εm)0.5 [nombre d’onde]

R = f (m , f , i d ,mode d’acquisition

Réflexion sur une couche minceRéflexion sur une couche mince

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Matrice : Calcaire

Remplissage : Air

Ouverture d (cm)

5020

1051

Fréquence (MHz)

Fréquence (MHz)

Angle d’incidence (°)

Angle d’incidence (°)

Am

pli

tud

eP

has

e (r

ad)

Am

pli

tud

eP

has

e (r

ad)

Inversion de R : caractériser les propriétés des fractures ?

Sensibilité du coefficient de réflexionSensibilité du coefficient de réflexion (mode TE)(mode TE)

d

17/393 juillet 2007


10 1

2

( ) ( ) cot( )n

e rr

ni

Le Modèle de Jonscher (1977)• décrit la dépendance fréquentielle de la permittivité effective (εe ) pour les matériaux

géologiques.

• Modèle à 3 paramètres réels et constants (n - r - ε)

0 500 1000 1500 20000

20

40

60

80

100

FREQUENCE (MHz)

εr

εi

ARGILE (Grégoire, 2001)(n=0.25 , r= 30 , ε=55)

PE

RM

ITT

IVIT

E (

ε)

0.5

1.5

0 500 1000 1500 2000 0

1

2

FREQUENCE (MHz)

εr

εi

2.5

PE

RM

ITT

IVIT

E (

ε) AIR(n=1 , r = 0 , ε=1)

Sensibilité fréquentielle de la permittivitéSensibilité fréquentielle de la permittivité

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1 ( )

0

( , ). ( , ). ( , ).( , ) ( ) ( , )

ik ri i i

mes i

D C T eE x E R

r

Signal source Diagramme de radiation Couplage antenne/massif Perte d’énergie Propagation

• Atténuation géométrique• Atténuation intrinsèque

Cœfficient de réflexion

Champ électrique mesuréChamp électrique mesuré

19/393 juillet 2007


Paramètres des

fractures

Problème directSignaux

enregistrés Emes(,x)

Problème inverseParamètres

des

fractures ?

RMS (%)

0.1

1

10

100 Para

mètr

e 2

Paramètre 1

Algorithme de voisinage(Sambridge, 1999)

Méthode d’inversion

Algorithme d’inversionAlgorithme d’inversion

20/393 juillet 2007

Entrées : Signal APVO

dispersif normalisé Diagramme de

radiationCorrection pour chaque cellule de

l’espace des paramètres de : L’atténuation géométrique L’atténuation intrinsèque Du diagramme de radiationLa normalisation permet de

s’affranchir: Du signal source Du couplage antenne/massif

2 stratégies différentes :2 stratégies différentes : Corriger en amont l’effet de la Corriger en amont l’effet de la

propagationpropagation

->-> Sont supposées connuesSont supposées connues La permittivité du massifLa permittivité du massif La profondeur de la fractureLa profondeur de la fracture

->-> Inversion de R( Inversion de R(ii) ) normalisénormalisé Pour s’affranchir du signal sourcePour s’affranchir du signal source Validée sur des signaux synthétiquesValidée sur des signaux synthétiques

Prise en compte globale du champ Prise en compte globale du champ électrique mesuréélectrique mesuré

->-> Inversion de E Inversion de Emesmes((,x) normalisé,x) normalisé


1 ( )

0

( , ) ( , ) ( , )( , ) ( ) ( , )

ik ri i i

mes i

D C T eE x E R

r

Méthodologie d’inversionMéthodologie d’inversion

1,4

1

0,6

0,2

0 20 40 60 80

Angle d’émissionAngle d’émission

Am

plitu

deA

mpl

itude

Sorties : 8 paramètres caractérisant : Le massif (3 paramètres de Jonscher) Le matériau de remplissage (3

paramètres de Jonscher) L’épaisseur et la profondeur de la

fracture

21/393 juillet 2007

3

0,6 1 1,40,2 0,8 1,20,40Ouverture (m)

Pro

fon

deu

r (m

)

3,2

3,4

2,6

2,8

r,f

5020 4010 30

40

30

20

50

0

10

i,f


Fracture remplie d’air• d=44 cm• z=3m• r,f=1• i,f=0

FAIBLE

FORT

RMS

Validation de l’algorithme d’inversionValidation de l’algorithme d’inversion

22/393 juillet 2007


Validation de l’algorithme d’inversionValidation de l’algorithme d’inversion

Algorithme validé pour :• 5 matériaux différents• Modes de réflectivités TE et TM• Inversion conjointe des modes TE et

TM• /20 < d ≤ /2

FAIBLEFORT

RMS

r,f

1,2

40

30

20

50

10

0,6 1 1,40,2 0,80,40

Ouverture normalisée (d/)/3,3 /2/10 /2,5/5

Ouverture (m)

Solution théorique

23/393 juillet 2007


F2F1 F3F4

F5

129630DISTANCE (m)

?Cliff

CMP

Application aux données acquises en falaiseApplication aux données acquises en falaise

Rocher du Mollard (Jeannin et al, 2006)

Temps (ns)D

ista

nce

le lo

ng

de

la f

alai

se (

m)

24/393 juillet 2007

Fré

quen

ce (

MH

z)

2 4 6 8 10

180

160

140

120

100

2 4 6 8 10

180

160

140

120

100


Offset (m)

Fré

quen

ce (

MH

z)

2 4 6 8 10

180

160

140

120

100

2 4 6 8 10

180

160

140

120

100

Offset (m)

Signaux inversésSignaux inversésAmplitude

Phase (rad)

Offset (m)

Tem

ps

(ns)

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Propriétés du remplissage

Propriétés de la matrice

Propriétés géométriqu

es

r,f

i,f

r,m Ouverture (m)

Profond

eur (m

)

Résultat de l’inversionRésultat de l’inversion

Problème bien posé

i,m

Deparis et Garambois (soumis)

26/393 juillet 2007


Confrontation données/modèle théoriqueConfrontation données/modèle théorique

Corrections :• Effet de la propagation• Diagramme de radiation

Am

pli

tud

eP

has

e (r

ad)

Fréquence (MHz) Angle d’incidence (m)

Angle d’incidence (m)Fréquence (MHz)

Am

pli

tud

eP

has

e (r

ad)

Légende DonnéesMeilleur modèled=50 cmd=30 cm

27/393 juillet 2007

•L’inversion des CMP en fonction de la fréquence et de l’offset permet de retrouver les propriétés des fractures et du milieu de propagation

•Bonne corrélation entre la théorie et les données

•La prise en compte de la sensibilité fréquentielle améliore la convergence de la solution


28/393 juillet 2007

Sommaire





29/393 juillet 2007

Étude dynamique du phénomène d’éboulementÉtude dynamique du phénomène d’éboulement

Les différentes phases d’un éboulementLes différentes phases d’un éboulement

30/393 juillet 2007


12 événements trouvés dans la base de donnée SISMALP de 1990 à 2004

Gamme de volume variée (2000 à 2x106 m3)

Magnitude (Ml) variant de 0,8 à 2,8

Distance d’enregistrement de 10 à 300 km

Les événementsPrésentation des signaux sismologiquesPrésentation des signaux sismologiques• Éboulement

• Séisme

31/393 juillet 2007

1Hz1Hz

101

102

103

104

40101Fréquence (Hz)

Am

pli

tud

e (D

épla

cem

ent)

Magnitude locale (Richter,1935)

• Source profonde

• Contexte de la CalifornieModèle empirique

d’atténuation (Deparis et al, soumis)

• Source superficielle

• Contexte des Alpes


• Magnitude

• Durée du signal

• Fréquence coin

A0

Distance (km)50 200

10-1

10-2

10-3

10-4

20 8040 20 8040 20 8040

3020

10

3020

103020

10

Du

rée

Distance (km)

Caractéristiques SismologiquesCaractéristiques Sismologiques

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Analogie mécanique/sismologieAnalogie mécanique/sismologie

Événement étudié

Rap

port

Ep/E

s

33/393 juillet 2007

R1• hf = 170 m

• tf = ≈ 5,9 s

• Station 0G17 (≈ 40 km)

R1• hf = 170 m

• tf = ≈ 5,9 s

• Station 0G13 (≈ 24 km)


2. /ch g

5,9s5,9s

Analyse des sismogrammesAnalyse des sismogrammesDétachementDétachementImpact - propagationImpact - propagation

34/393 juillet 2007


R11• hf = 190 m

• tf ≈ 6,2 s

• Station OG14 (≈ 43 km)

Com

pos

ante

rad

iale

Composante radiale

Composante tangentielle

Composante tangentielle

Com

pos

ante

ver

tica

le

Com

pos

ante

ver

tica

le

Temps (s)

Am

pli

tud

eDétachementDétachementImpact - propagationImpact - propagation

0 20km

N

Analyse des sismogrammesAnalyse des sismogrammes

35/393 juillet 2007

A

ltit

ud

e (m

)

distance (m)

Massif : Élastique Vp = 5800 m/s

Sol :

• Élastique Vp = 5800 m/s

• Élastique Vp = 1700 m/s

• Plastique Vp = 1700 m/s y = 290 MPa

Temps (s)

Am

pli

tud

e (m

/s)

Fré

qu

ence

(H

z)

Am

pli

tud

e (m

/s)

Fré

qu

ence

(H

z)

Temps (s)

Am

pli

tud

e (m

/s)

Fré

qu

ence

(H

z)

Temps (s)

Am

pli

tud

e (m

/s)

Fré

qu

ence

(H

z)

Temps (s)

Simulation numériqueSimulation numérique


Massif

Sol

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•Les différentes phases de l ’éboulement sont retrouvées sur les enregistrements

•Les effets non linéaires lors de l’impact ont pour conséquence un faible rendement énergétique (conversion Ep - Es)

•La source peut être caractérisée par la première phase du signal

•Les corrélations montrent une analogie entre la durée du signal et l’énergie potentielle

•La modélisation d’un éboulement permet de retrouver les caractéristiques fréquentielles et les différences d’amplitudes observées sur les signaux

37/393 juillet 2007

Conclusions

Imagerie de la fracturation• Méthodologie d’auscultation des falaises

• Mise en évidence de la géométrie de la fracturation

• Validation des données par sondages géotechniques et reconnaissances géologiques

Caractérisation de la fracture par méthode inverse• Validation de l’approche couche mince par modélisation numérique

• Développement d’une méthodologie d’inversion basée sur la sensibilité fréquentielle et angulaire des signaux

• Validation sur des signaux synthétiques et application sur deux cas d’étude

Étude dynamique de la rupture et de la propagation• Acquisition de données expérimentales à l’aide de capteurs larges bandes

• Mise en évidence de plusieurs phases sismiques

• Influence de la géométrie d’instabilité mise en évidence par modélisation numérique

Conclusions

Conclusions généralesConclusions générales

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Évolution temporelle de la stabilité• Utilisation du radar géologique

• Mesure de bruit de fond sismique / Émission acoustique

Géométrie et propriétés physiques de la fracturation• Imagerie 3D (profils Horizontal et Vertical)• Utiliser l’inversion APVO (CMP) pour estimer localement les paramètres de la

fracture et du signal source afin d’appliquer l’inversion en mode réflexion (Jeannin, 2005)

• Tester la méthodologie sur des matériaux plus dispersifs

Analyse dynamique de la propagation• Isoler le signal source (déconvolution aveugle)

• Réseau sismologique large bande – large dynamique et multirisques

Perspectives

PerspectivesPerspectives

39/393 juillet 2007

Merci de votre attention …Merci de votre attention …

1/393 juillet 2007 Étude des éboulements rocheux par méthodes géophysiques thèse présentée...

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