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Détermination de la géométrie des formations sédimentaires de la vallée du Grésivaudan,

autour du forage Montbonnot (Isère) : Utilisation des méthodes H;/V et SAS W

Septembre 2001

BRGM/RP 51161 FR

Détermination de la géométrie des formations sédimentaires de la vallée du Grésivaudan,

autour du forage Montbonnot (Isère) : Utilisation des méthodes H f l et SAS W

Ph. Sabourault et A. Bitri . '

Avec la collaboration de M. Bour ----- ~ _ ~--

Septembre 2001

BRGMIRP 51161 FR

Mots clés : forage, ondes de surface, bruit de fond, inversion, Grenoble.

En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

Ph. Sabourault et A. Bitn avec la collaboration de M. Bour (2001). Détermination de la géométrie des formations sédimentaires de la vallée du Grésivaudan, autour du forage Montbonnot (Isère) : Utilisation des méthodes H N et SASW. Rapport BRGM RF' 51 161 FR. Septembre 2001.33 pages. 6 tableaux. 12 figures.

O BRGM, 2001. Ce document ne peut être reproduit en totalit.6 ou en partie sans I'autorisation expresse du BRGM,

Détermination de la géométrie des formations sédimentaires de la vallée du Grésivaudan, autour du forage Montbonnot (Isère) : utilisation des méthodes H N et SASW

Synthèse

C ette étude se place dans le cadre de reconnaissance des différentes structures du sous-sol (naturelles ou anthropiques), et de la surveillance des désordres ou des

ressources pouvant y être liés (cavités ou aquifères).

La méthode « H N » utilisée est encore marginale en France, mais est très prometteuse de par son faible coût d'utilisation, largement inférieur aux méthodes classiques, et de par sa facilité de mise en œuvre. En effet, cette méthode nécessite l'emploi d'un seul sismographe trois composantes avec lequel on effectue un enregistrement de bruit de fond sismique pendant une vingtaine de minutes par point de mesure. L'objectif est de calculer l'épaisseur d'une couche géologique d'après sa fréquence de résonance fondamentale, estimée à partir de mesures de bruit de fond sismique.

Nous avons choisi le site du forage de Montbonnot dans la partie sud-ouest de la vallée du Grésivaudan car nous disposons d'un forage carotté profond allant jusqu'au substratum rocheux. Nous pouvons ainsi utiliser ces données pour caler les résultats de la méthode (( H N ».

Nous avons obtenu, à l'aide de la méthode HN, une représentation de la géométrie des formations géologiques du sous-sol à deux échelles différentes autour de l'agglomération grenobloise et plus particulièrement autour du forage de Montbonnot.

Ponctuellement, autour du forage de Montbonnot sur une superficie de 1 km2(~ig. 7), nous avons mis en évidence avec la méthode SASW la présence de cinq couches géologiques comprises entre la surface et 40 m de profondeur avec la méthode SASW (Fig. 4). La méthode H N a ensuite permis de suivre l'évolution spatiale de l'épaisseur de la couche superficielle. L'ensemble du remplissage sédimentaire meuble recouvrant le substratum rocheux de la vallée du Grésivaudan (épaisseur comprise entre 480 et 526 m) a également pu être déterminée par la méthode HN. Localement, nous avons utilisé les mesures de bruit de fond sismique de Le Brun(1997) pour appliquer la méthode H N à l'échelle de l'agglomération grenobloise. Nous avons alors obtenu la géométrie du toit du substratum rocheux sous Grenoble et ses alentours (Fig. 11 et Fig. 12). Une profondeur d'investigation de 800m a alors été atteinte.

Ces résultats sont donc très prometteurs car ils ont permis, par une instrumentation simple et peu coûteuse, de déterminer la géométrie des couches géologiques surmontant un substratum rocheux profond de plusieurs centaines de mètres. L'emploi de données préexistantes (enregistrements de bruit de fond sismique) a également permis d'acquérir de nouvelles informations à l'échelle d'une agglomération.

Notons que la technique H N pourrait également, suivant une méthodologie du même type, servir à déterminer les vitesses des ondes de cisaillement (V,) dans les formations sédimentaires.


Rappori BRGM/RP-51161-FR

Détermination de la géométrie des formations sédimentaires de la vallée du Grésivaudan. autour du forage Montbonnof (Isère) : utilisation des méthodes H N et SASW

Sommaire

..................................................................................................................... SYNTHESE 3

LISTE DES TABLEAUX ........................................ 6

.................................................................................... LISTE DES ILLUSTRATIONS 7

........................................ . 1 INTRODUCTION 9

2 . APPLICATION DE LA MÉTHODE D'ANALYSE SPECTRALE DES ONDES ........ DE SURFACE (SASW) SUR LE SITE DU FORAGE DE MONTBONNOT 11

2.1 MISE EN OEWRE .............................................................................................. 11 2.2 DISPERSION DES ONDES DE SURFACE ....................................................... 12

............................................... 2.3 INVERSION DES COURBES DE DISPERSION 13

3 . PRINCIPE DE LA MÉTHODE HN ............................................................... 17 3.1 PRINCIPE DE DETERMINATION DE LA PROFONDEUR DU SUBSTRATUM .......................................................................................................... 17 3.2 DETERMINATION EXPERIMENTALE DE LA FREQUENCE DE RESONANCE ........................................................................................................ 20

4 . APPLICATION EXPÉRIMENTALE DANS LA VALLÉE DU GRESIVAUDAN .................................................................................................... 21

4.1 MONTBONNOT .................................................................................................. 21 4.2 AGGLOMERATION GRENOBLOISE ............................................................... 28

5 . CONCLUSIONS ....................................................................................................... 31

6 . BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................... 33

Rapport BRGMIRP-51161-FR

Détermination de la géométrie des formations sédimentaires de la vallée du Grésivaudan, autour du forage Montbonnot (Isère) : utilisation des méthodes HA! et SASW

Liste des tableaux

Tabl. 1 - Valeurs de Vs et de l'épaisseur des 5 couches superficielles d'après les résultats de l'expérimentation SASW. ...................................................................... 24

Tabl. 2 - Fréquences propres des 5 couches superficielles d'après les résultats de , . ......................................................................................... l'experimentation SASW. 24

Tabl. 3 - Calcul des fréquences de résonance associées à chacun des 9 points de mesure à partir des courbes HiV correspondantes. ............................................................... 24

Tabl. 4 - Epaisseurs exprimées en mètre de chaque couche géologique ayant été identifiée pour les 9 points de mesure. ..................................................................... 26

Tabl. 5 - Profondeur du toit de chaque couche géologique. ............................................ 26

Tabl. 6 - Epaisseurs du remplissage sédimentaire (couche R avec Vs=673 m/s) autour de l'agglomération de Grenoble d'après les mesures de bruit de fond sismique pratiquées par Lebrun en 1997 ainsi que les 9 points réalisés pour la présente étude. .................................................................. 29

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Liste des illustrations

Fig . 1 . Point de tir enregistré sur le site du forage de Montbonnot ................................ 11

Fig . 2 . Diagramme de dispersion associé au tir enregistré sur le site du forage de Montbonnot .............................................................................................................. 13

Fig . 3 . Courbes de dispersion réelles (cercles et barres d'erreurs associées) et obtenues par inversion (trait continu) ................................................................................ 14

Fig . 4 . Modèle de vitesse des ondes S obtenu par inversion sur le site du forage de ............................................................................................................. Montbonnot 1 5

............................. Fig . 5 . Piégeage d'ondes dans une couverture sédimentaire meuble 17

.................................................................. Fig . 6 . Plan de situation du site instrumenté 21

Fig . 7 . Emplacement des 9 points de mesure de bruit de fond sismique pour la détermination de la profondeur du substratum rocheux ........................................... 22

Fig . 8 . Fonctionnalité des éléments du dispositif expérimental ..................................... 23

............................................................ Fig . 9 . Rapports spectraux H N des points 1 à 8 25

....................................................................... Fig . 10 . Rapport spectral HIV du point 9 26

Fig . 11 . Profondeurs estimées du toit du substratum rocheux autour du forage de Montbonnot .............................................................................................................. 27

Fig . 12 . Cartographie du toit du substratum rocheux sous . . l'agglomeration grenobloise ..................................................................................... 30


Détermination de la géométrie des formations sédimentaires de la vallée du Grésivaudan, autour du forage Montbonnot (Isère) : utilisation des méthodes HNet SASW

1. Introduction

Le but du forage profond effectué à Montbonnot par 1'IPSN et le LGIT est de préciser les effets de site dans la vallée grenobloise. Il fait suite à plusieurs expériences sismologiques qui ont mis en évidence des effets de site importants dans le bassin grenoblois (Le Brun B, 1997). Des simulations numériques avaient également été effectuées pour estimer l'effet en surface d'un séisme ; elles confirment les résultats expérimentaux. Cependant, les interprétations faites à partir de ces expériences restent imprécises, par le manque de données sur les caractéristiques géotechniques des formations quaternaires, et sur la géométrie et surtout la profondeur du substratum sismique. Même si des expériences de gravimétrie ont permis de préciser la géométrie du substratum, la détermination de sa profondeur était encore mal contrainte. En constituant un point de calage, le forage de Montbonnot a permis de connaître la profondeur de ce substratum, qui est à cet enboit de 534 mètres. De plus, les levers géologiques et les diagraphies associés à ce forage vont permettre de mieux caractériser la nature du remplissage sédimentaire sur toute sa hauteur.

L'installation en décembre 2000 de deux capteurs accélérométriques, l'un en surface et l'autre en fond de puits, permettra de mieux connaître la réponse de ce remplissage aux sollicitations sismiques.

Parmi les caractéristiques géotechniques d'une colonne de sols, la vitesse de propagation des ondes de cisaillement Vs dans les formations sumontant le substratum sismique, est l'un des paramètres les plus importants, car il intervient dans l'évaluation des modifications du signal sismique à la surface par rapport au mouvement au rocher.

Les méthodes basées sur la dispersion des ondes de surface pour la détermination des vitesses d'ondes de cisaillement, représentent une alternative très intéressante aux méthodes destructives fréquemment utilisées en géotechnique. La méthode d'analyse spectrale des ondes de surface (SASW) a été appliquée sur le site du forage Montbonnot, afin de déterminer le profil vertical de vitesse des ondes de cisaillement sur les quarante premiers mètres.

En parallèle, nous avons utilisé une seconde méthode dite « H/V » permettant l'investigation de couche géologique profonde.

La méthode H N est surtout connue pour la détermination de la fréquence propre des terrains meubles dans la détermination des effets de site lithologiques.

La méthode choisie, qui utilise les rapports spectraux H/V sur des enregistrements de bruit de fond à l'aide d'une seule station, a été mise en œuvre pour la première fois au Japon en 1971. Son introduction dans la communauté internationale scientifique date de 1989 par Nakamura (1989 et 1996). Elle a été très controversée quant à ses résultats. Après plusieurs années de discussions, il est maintenant admis que cette méthode permet, de façon fiable, le calcul de la fréquence de résonance du sol.



Ici, nous en proposons une application géophysique permettant de déterminer les épaisseurs des formations géologiques meubles surplombant un substratum rigide et ceci en trois dimensions. L'utilisation du rapport HN, pour déterminer l'épaisseur de sédiments meubles, a été publiée pour la première fois par Ibs-von Seht (1999).

On obtient, à la verticale du point mesuré, l'épaisseur de chaque couche géologique sous-jacente sous condition qu'il existe un contraste d'impédance significatif entre ces formation. Cette méthode parait adaptée pour déterminer des épaisseurs de couches sédimentaires comprises entre quelques mètres et plusieurs centaines de mètres. La méthode nécessite un point de calage (forage par exemple) où l'épaisseur de chaque couche est connue. Les mesures de bruit de fond sur le reste de la zone étudiée permettent alors de fournir les épaisseurs relatives de ces couches (Sabourault, 1999).


Détermination de la géométrie des formations sédimentaires de la vallée du Grésivaudan, autour du forage Montbonnot (Isère) : utilisation des méthodes HN et SASW

2. Application de la méthode d'analyse spectrale des ondes de surface (SASW) sur le site du

forage de Montbonnot 2.1 MISE EN OEUVRE

Le matériel nécessaire pour effectuer des mesures sismiques des ondes de surface est composé :

d'une centrale d'acquisition sismique, de géophones, et d'une source impulsionnelle ou vibratoire.

Pour cette expérimentation, nous avons utilisé une centrale d'acquisition de 48 traces, 12 géophones de 2 Hz, 12 de 4,5 Hz et 24 géophones de 10 Hz. Comme source, nous avons utilisé de la dynamite (0.2-0.3 kg) placée à une profondeur de 1 m.

Le déport entre la source et le premier géophone était de 20 m. Le choix de l'espacement des géophones est un compromis entre la résolution spatiale et l'incertitude sur la vitesse de phase. Un petit espacement entre géophones augmente la résolution, mais diminue la précision de calcul de la vitesse de phase. Pour notre étude, il a été fixé à 2 m. La distance maximale source-géophone est de 114 m. La longueur de dispositif a été limitée par le refus de passage sur des champs agricoles voisins.

Les données enregistrées sur l'un des tirs sont présentées sur la figure 1, mettant en évidence un train d'ondes de surface (Rayleigh) marqué.

Fig. 1 -Point de tir enregistrésur le site du forage de Montbonnot



2.2 DISPERSION DES ONDES DE SURFACE

Les ondes de surface se propagent parallèlement à la surface de la terre. Dans le cas d'un milieu dont les propriétés élastiques varient avec la profondeur, la vitesse des ondes de surface varie avec la longueur d'onde, et donc avec la fréquence. Cet effet est appelé dispersion. Suivant la fréquence considérée, les ondes de surface contiennent de l'information sur les milieux traversés entre la surface et la profondeur maximale de pénétration des différentes modes. En analysant la dispersion de ces ondes, il est donc possible d'obtenir des informations sur les valeurs des paramètres physiques à différentes profondeurs.

Le diagramme de dispersion pour un point de tir dans la zone d'étude (Fig. 1) est présenté sur la Fig. 2. Le maximum d'énergie dans le diagramme de dispersion donne les courbes de dispersion. Dans notre cas, elles sont au nombre de quatre et représentent le mode fondamental, ainsi que les trois premiers modes. Ces courbes, ainsi que les barres d'erreurs associées, sont ensuite extraites du diagramme pour être inversées.



vitesse [m/s]

Fig. 2 - Diagramme de dispersion associé au tir enregistré sur le site du forage de Montbonnot

2.3 INVERSION DES COURBES DE DISPERSION

L'inversion des courbes de dispersion a pour but de retrouver le profil vertical de vitesse des ondes S. Les courbes de dispersion réelles, comparées aux courbes de dispersion synthétiques calculées à partir d'un modèle de départ a priori, conduisent à des résidus de vitesse de phase. Dans chacune des couches, le modèle de départ est défini par quatre paramètres :

l'épaisseur, la vitesse des ondes S, qui comme l'épaisseur, peut être obtenue par inversion des courbes de dispersion, la vitesse des ondes P, qui peut être déterminée par analyse des ondes réfractées, la densité, estimée à partir des données géologiques disponibles dans la zone d'étude.

Rapport BRGWRP-51161-FR


Les courbes de dispersion dépendent essentiellement des vitesses S et des épaisseurs. Par conséquent, une estimation approximative des vitesses P ou de la densité aura une influence minime sur la courbe de dispersion. La vitesse des ondes S est uniforme au départ sur tout le profil de sols, et le nombre de couches est fixé aléatoirement.

L'information apportée par les ondes de surface ne permet pas d'inverser simultanément au cours d'une même itération, les vitesses S et les épaisseurs de couche. Dans un premier temps, une méthode inverse linéarisée est utilisée pour obtenir les vitesses et les épaisseurs des couches. Au cours des itérations, la vitesse et l'épaisseur des couches sont inversées successivement, de façon à ajuster la courbe synthétique de dispersion aux données réelles.

Les résultats obtenus (Fig. 3) montrent un bon accord entre les données et les valeurs calculées, aussi bien pour le mode fondamental que pour les trois premiers modes.

Le modèle de vitesse associé à ces courbes de dispersion est présenté sur la Fig. 4. D'après la profondeur maximale de pénétration des ondes lors de notre expérience, nous estimons que les valeurs de vitesses obtenues ne sont plus suffisamment contraintes au- delà de 40 mètres de profondeur.

Fig. 3 - Courbes de dispersion réelles (cercles et barres d'erreurs associées) et obtenuespar inversion (trait continu)

Rapport BRGMiRP-51161.FR


Fig. 4 - Modèle de vitesse des ondes S obtenu par inversion sur le site du forage de Montbonnot


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Détermination de la géométrie des formations sedimentaires de la vallée du Grésivaudan, autour du forage Montbonnot (Isère) : utilisation des méthodes H N et SASW

3. Principe de la méthode H N 3.1 PRINCIPE DE DETERMINATION DE LA PROFONDEUR DU SUBSTRATUM

Nous utilisons les propriétés de la réponse d'une couche de sol, soumise à une sollicitation sismique, pour déterminer son épaisseur. En effet, la fréquence de résonance d'un sol est caractéristique d'une part de la qualité du sol (elle est différente pour du rocher et pour des sols mous) et d'autre part de l'épaisseur du sol considéré. Schématiquement, un sol rocheux va avoir une fréquence de résonance très élevée, en dehors du domaine des fréquences habituellement rencontrées en génie parasismique (entre 0.5 et 15 Hz), un sol raide peu épais (épaisseur inférieure à 10 m) aura Urie fréquence propre supérieure à 10 Hz, un sol raide épais ou un sol mou peu épais auront une fréquence de résonance comprise entre 1 et 10 Hz et enfin, un sol mou épais aura une fréquence propre inférieure à 1 Hz.

Prenons l'exemple simple d'une couverture sédimentaire meuble surplombant un substratum rigide et soumise à une onde plane SH d'incidence verticale, stationnaire de fréquence f, et d'amplitude 1 (Fig. 5).

Fig. 5 - Piégeage d'ondes dans une couverture sédimentaire meuble. Les jïèches rouges symbolisent I'onde incidente, les fléches noires I'onde piégée. Dénomination : V: la vitesse de propagation des ondes S dans chaque milieu (meuble: 1, subsîratum : 2) ; H : épaisseur de la couche meuble.

On peut, suivant un calcul à une dimension du sous sol, relier l'épaisseur d'une couche sédimentaire meuble (surplombant un substratum rocheux) à sa fréquence de résonance fondamentale fo par l'expression :

avec H, : épaisseur de la couche meuble 1,

V: : vitesse de propagation des ondes S dans la couche meuble 1,

fi : fréquence de résonance fondamentale de la couche meuble 1.

La connaissance de deux paramètres permet donc d'estimer le troisième (Y,' et fi connues donnent H, par exemple).

Rappori BRGM/RP-51167-FR

Détermination de la géométrie des formations sédimentaires de la vallée du G&sivaudan, autour du forage Montbonnot (Isère) : utilisation des méthodes H N et SASW

Nous appliquerons ce principe aux milieux multicouches, soit H, = ~ 1 4 ~ pour chaque couche n.

Suivant le contraste d'impédance entre deux couches (n) et (n+l) défini par

I.,"+~ = 11+1 n+l , diverses configurations géométriques et rhéologiques existent. Nous P" vn

avons représenté les six configurations les plus fréquentes ci-dessous.

: fort, Iz,3 et 13,s : faible a fréquence propre'récupérée en surface : fi

Couche 1

Couche 2

Couche 3

Substratum rocheux

Il2 et I2,3 : fort, 73,s : faible fréquences propres récupérées en surface : fi , f2

4 i

Hz i rii Couche 1

Couche 2


Détermination de la géométrie des formations sedimentaires de la vallée du Grésivaudarr, autour du forage Montbonnot (Isère) : utilisation des méthodes H N et SASW

11.2 ,12,3 et 13,s : fort 3 fréquences propres récupérées en surface : fi , f2, f3

1 1 Couche i H i i 1 Hz 'i' t t l Couche 2

Il,2 : fort, 12,3 : faible et 13,s : fort - fréquences propres récupérées en surface : fi,, , fi avec fiz fréquence propre de la couche constituée de la couche 2 + couche3,

Couche 3

Substratum rocheux

Couche 2

Ilz : faible, Izs : fort et : faible 3 fréquence propre récupérk en surface : f i a

Couche 1



11,2 , 12,3 : faible et 13,S : fort a fréquence propre récupérée en surface : fl.2.3

3.2 DETERMINATION EXPERIMENTALE DE LA FREQUENCE DE RESONANCE

La méthode H N consiste à enregistrer le bruit de fond sismique avec un capteur 3 composantes (deux horizontales et une verticale) pendant une durée de 20 minutes environ. On subdivise ensuite cet enregistrement en N fenêtres d'égale durée (dans la présente étude 7 fenêtres de 4mn30s). Pour chacune des N fenêtres, on calcule le spectre de Fourier des composantes horizontales du mouvement et celui de la composante verticale. On calcule ensuite la moyenne des spectres sur ces N fenêtres. Cette moyenne permet d'éviter des artefacts dus à des bruits proches, tels que le passage de camions par exemple. Enfin, on calcule le rapport spectral de la voie horizontale choisie (Nord ou Ouest) divisée par la voie verticale, soit :

Sm : Spectre de Fourier du mouvement horizontal du sol enregistré sur un site dans la direction Nord-Sud.

%O : Spectre de Fourier du mouvement horizontal du sol enregistré sur un site dans la direction Est-Ouest.

SV : Spectre de Fourier du mouvement vertical du sol enregistré sur un site.

On représente la résultante horizontale divisée par la voie verticale c'est à dire :

HWR = avec S, = Jm HVNR (Horizontal to Vertical Noise Ratio) est issu du bruit de fond.

La fréquence de résonance est obtenue en pointant sur le rapport HVNR, le (ou les pics) d'amplitude très nettement supérieur à 2 ou 3.



4. Application expérimentale dans la vallée du Grésivaudan

4.1 MONTBONNOT

Le BRGM a effectué des mesures de bruit de fond sismique courant mai 2000 dans la partie sud-ouest de la vallée du Grésivaudan (Fig. 6), autour du forage IPSN de Montbonnot (Isère).

- 500 m Forage

Fig. 6 - Plan de situation du site instrumenté. (extrait de la carte ZGN 3334 OT, Massif de la Chartreuse Sud).

Parallelement à cette expérimentation, des mesures de type SASW ont été pratiquées sur le site à proximité du forage.



Nous avons effectué des mesures de bruit de fond en 9 points représentant les principales caractéristiques du site de Montbonnot (Fig. ï). Nous avons choisi des points de mesure à la périphérie du forage de façon à pouvoir suivre le pendage du substratum calcaire mis en évidence par des études antérieures.

Point 5

Point 6

Po& 4

Poiut 3

Point 2

Point 9

Fig. 7 - Emplacement des 9 points de mesure de bruit de fond sismique pour la détermination de la profondeur du substratum rocheux. (extrait de la carte ZGN 3334 OT, Massif de la Chartreuse Sud).


Point 7

Point 8


v: On cherche à déterminer HJ = - épaisseur de la couche géologique i à la verticale

4 8 du point de mesure j (i E [O ,5] d'après les mesures SASW et j E [l ,9]).

On peut résumer la méthodologie employée par le schéma de la Fig. 8.

Mesures

Mesures WV

. e t j E [1 ,91 point I

Fig. 8 - Fonctionnalité des éléments du dispositif eupérimental.

Voici la méthodologie suivie lors de cette étude :

Les mesures SASW nous ont permis de définir une vitesse Vsi (i E [O, 41) des ondes de

cisaillement ainsi qu'une épaisseur H;' (i E [O, 41) associée pour chacune des 5 premières couches géologiques (couches O à 4) au point 1 sur les 40 premiers mètres en profondeur (Fig. 4 et Tabl. 1).



TabL 1 - Valeurs de Vs et de l'épaisseur des 5 couches superficielles d'après les résultats de l'expérimentation SASW.

On peut de cette manière calculer les fréquences de résonance théoriques de chaque

Couche 4 Vs = 407 d s

9,7

Epaisseurs (m)

Point 1

TabL 2 - Fréquences propres des 5 couches superficielles d'après les résultats de l'expérimentation SASW.


9 2

couche (Tabl. 2).

Les mesures HN ont permis de mettre en évidence 2 pics marqués sur l'ensemble des points de mesure (Fig. 9 et Fig. IO). Les valeurs des fréquences correspondantes à ces pics sont indiquées dans Tabl. 3. point de mesure (Hg. 9 et Fig. IO), on pointe la fréquence de résonance fondamentale correspondant à chacune des 2 couches identifiées (la plus superficielle = couche O et l'ensemble du remplissage = couche R). On obtient ainsi pour chaque point deux fréquences (Tabl. 3). D'après les résultats du Tabl. 3, nous pouvons associer la fréquence propre de 7.5Hz à la mise en résonance de la couche O (la plus superficielle) au point 1 et la fréquence propre de 0.32Hz à celle de la couche R (ensemble du remplissage). Au contraire, nous ne pouvons pas, d'après la courbes HN attribuer la résonance des autres couches à des amplifications claires. Les valeurs de Vs estimées par la méthode SASW semblent indiquer qu'il n'y pas un fort contraste d'impédance entre les couches 1,2, 3 et 4, ceci ayant pour conséquence que la courbe HN n'est que très peu perturbée par l'effet de ces couches géologiques car elles se comportent de façon homogène entre elles. Les informations du forage carotté indiquent que le toit du substratum se trouve à 531m de profondeur, si on en soustrait l'épaisseur de la couche O on obtient l'épaisseur du remplissage sédimentaire (couche R) au point 1 soit H: = 531-4.4 =

Couche 3 Vs = 279 m/s

14,X

Couche O Vs = 133 m/s

4,4

526 m. Connaissant H t et fiR = 0.32 Hz (pointé sur la courbe HVNR du point l ) ,

on en déduit qR = 673mls.


15,s

Frequeoce fo (Hz)

Point 1

TabL 3 - Calcul des fréquences de résonance associées à chacun des 9 points de mesure à partir des courbes HNcorrespondantes.

Couche 3

4,7


Couche 4

10,5

Couche O

7,5

Couche 1

4 8

Couche 2

6,3

Détermination de la géométrie des formations sédimentaires de la vallée du Grésivaudan, autour du forage Montbonnot (Isère) : utilisation des méthodes HN et SASW

o. 1 1 O Fréquence (Hz)

0.1 1 O Fréquence (Hz)

Fig. 9 -Rapports spectraux HNdes points 1 à 8.



I i i i i 1 1 1 1 I i i i i i i i i I i i l

0.1 1 1 O Fréquence (Hz)

Fig. 10 - Rapport spectral EWdu point 9.

Ayant identifié les deux fréquences pour chacune des 2 couches au point 1, nous suivons les décalages de ces fréquences (Fig. 9 et Fig. 10) en fonction du point étudié et nous en déduisons les épaisseurs sous chacun des points de mesure (Tabl. 4).

Tabl. 4 - Epaisseurs exprimées en mètre de chaque couche géologique ayant été identifiée pour les 9points de mesure.

A partir des valeurs d'épaisseur, nous avons calculé les profondeurs correspondantes (Tabl. 5) et les avons représentées sur la Fig. 11

Tabl. 5 -Profondeur du toit de chaque couche géologique.


Détermination de la géométrie des formations sédimentaires de la vallée du Grésivaudan, autour du forage Montbonnot (Isére) : utilisation des méthodes HNet SASW

Profondeur (m)

Longitude

Fig. 11 - Profondeurs estimées du toit du substratum rocheux autour du forage de Montbonnot. Chaque point rouge indique l'emplacement d'un point instrumenté et l'étoile celui du forage.



4.2 AGGLOMERATION GRENOBLOISE

Suivant la même principe de calcul, on peut tracer la forme du substratum rocheux sous l'agglomération grenobloise d'après les mesures de bruit de fond de Le Brun (1997). Les points utilisés sont spécifiés dans le Tabl. 6 et la forme du toit du substratum rocheux est représenté sur la Fig. 12. L'épaisseur du remplissage surmontant le substratum varie de 35 à 800m environ. On distingue clairement la forme en « Y )) des vallées de l'agglomération grenobloise.

28 Rappori BRGM/RP-51161-FR


TabL 6 - Epaisseurs du remplissage sédimentaire (couche R avec Vs=673 m/s) autour de l'agglomération de Grenoble d'après les mesures de bruit de fond sismique pratiquéespar Lebrun en 1997 ainsi que les 9points réalisés pour la présente étude.


Détermination de la géométrie des formations sédimentaires de la vallée du Gkivaudan, autour du forage Montbonnot (Isère) : utilisation des méthodes H N et SASW

Profondeur (m)

Longitude

Fig. 12- Cartographie du toit du substratum rocheux sous l'agglomération arenobloise. Chaaue voint noir indique l'emulacement d'un point instrumenté et - A - - l'étoile rouge celui du forage.

Rapport B R G W - 5 1 1 6 1 - F R


5. Conclusions

Nous avons caractérisé, à l'aide les mesures SASW, la vitesse des ondes de cisaillement Vs qui varie de 130m/s à 400m/s sur les 40 premiers mètres. A la verticale du forage carotté la profondeur du substratum est de 530m. Le modèle étant bien contraint localement, autour du forage de Montbonnot, en un point du dispositif, nous avons pu suivre l'évolution relative des épaisseurs de deux formations :

une superficielle d'épaisseur constante d'environ 4m la seconde constituant le remplissage de la vallée d'une épaisseur de 35m à 800m

suivant la localisation dans la vallée établissant ainsi une cartographie de la profondeur du toit du substratum rocheux sous l'agglomération grenobloise.

L'emploi de la méthode la méthode WV fondée sur des enregistrements de bruit de fond sismiques semble donc très prometteuse car elle a permis, par une instrumentation simple et peu coûteuse, de déterminer la géométrie des couches géologiques du sous-sol. L'emploi de données préexistantes (enregistrement de bruit de fond sismique) a également permis d'acquérir de nouvelles informations à l'échelle d'une agglomération.



Rapport BRGMIRP-51161-FR


6. Bibliographie Ibs-von Seht M., Wohlenberg J. (1999). Microtremor Measurements Used to Map

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