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Thèse Année : 2012

Seismo-electromagnetic conversions in porous media

Conversions sismo-électromagnétiques en milieux poreux

Résumé

A seismic wave passing through a uid-containing porous medium creates a relative motion between the uid and solid phases. By moving the excess ions in the electrical double layer, this relative motion creates a streaming current. This electrokinetic phenomenon, occurring at the micro scale, generates at least two types of seismoelectro- magnetic conversions that can be measured at the macro-scale. On one hand, it gives birth to coseismic electromagnetic elds accompanying the seismic disturbance. On the other hand, when a seismic wave crosses an interface between two media of di erent mechanical, electrical or hydrological properties, it creates a streaming potential imbalance at the interface, acting as a dipolar electromagnetic source. The resulting interface reponses travel at electromagnetic velocities and are measured almost simultaneously by all receivers. This thesis aims to improve our understanding these phenomena and develop geophysical imaging techniques based on seismoelectromagnetic conversions. Two areas of work are explored. The rst encompasses seismoelectromagnetic data processing, especially the extraction of interface responses, which may provide information about the subsurface at depth. We compare the in uence of several ltering techniques on the amplitudes and waveforms of the interface responses. We also introduce a new wave separation technique in the curvelet domain, taking advantage of the similarity between seismic and coseismic data. Furthermore, the theory for the coupled propagation of seismic and electromagnetic waves is restricted to saturated porous media. We extend it here to partially saturated media for the case of a water/air mixture, deriving the e ective mechanical properties of the medium and expressing the electrical conductivity, the dielectric permittivity and the seismoelectric coupling as a function of water saturation. We adapt a seismoelectromagnetic wave modelling program based on the general re ectivity method to unsaturated conditions. Abstract : Keywords : Near surface geophysics - Seismoelectromagnetic signals - Porous media - Wavelets - Wave separation - Numerical modelling - Unsaturated media
Une onde sismique se propageant dans un milieu poreux contenant un uide crée un mouvement relatif entre ce uide et la matrice solide. En transportant les ions présents en excès dans la double couche électrique, ce mou- vement relatif crée un courant d'électro ltration. Ce phénomène électrocinétique, survenant à l'échelle microscopique, est à l'origine d'au moins deux types de conversions sismo-électromagnétiques observables à l'échelle macroscopique. D'une part, il donne naissance à des champs électromagnétiques cosismiques accompagnant l'onde sismique perturba- trice. D'autre part, lorsqu'une onde sismique traverse une interface séparant deux milieux de propriétés mécaniques, électriques ou hydrologiques di érentes, elle génère une discontinuité du potentiel de part et d'autre de cette interface, qui agit comme une source électromagnétique dipolaire. Les réponses interfaciales ainsi créées voyagent à des vitesses électromagnétiques et sont observées presque simultanément par tous les récepteurs. Cette thèse s'attache à la com- préhension de ces phénomènes et au développement des méthodes d'imagerie géophysique basées sur les conversions sismoélectromagnétiques. Deux axes de travail sont investigués. Le premier concerne le traitement des données sismoélectromagnétiques et en particulier l'extraction des réponses interfaciales, qui peuvent renseigner sur le sous-sol en profondeur. Nous comparons l'impact de plusieurs méthodes de ltrage sur les amplitudes et les formes d'onde des réponses interfaciales. Nous introduisons également une nouvelle technique de séparation d'ondes en domaine des curvelets, qui s'appuie sur les similarités entre les données sismiques et cosismiques. D'autre part, la théorie de la propagation couplée des ondes sismiques et électromagnétiques est limitée aux milieux poreux saturés. Nous l'étendons ici à des milieux partiellement saturés, pour le cas d'un mélange air/eau, en calculant les propriétés mécaniques e ectives du mélange et en écrivant la conductivité électrique, la permittivité diélectrique et le couplage sismoélectrique en fonction de la saturation en eau. Nous adaptons aux conditions non-saturées un programme de simulation numérique des ondes sismo-électromagnétiques basé sur la méthode de la ré ectivité générale. Mots clés : Géophysique de proche surface - Signaux sismo-électromagnétiques - Milieux poreux - Ondelettes - Séparation d'ondes - Modélisation numérique - Zone non-saturée
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Dates et versions

tel-00872157 , version 1 (11-10-2013)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00872157 , version 1

Citer

Sheldon Warden. Conversions sismo-électromagnétiques en milieux poreux. Géophysique [physics.geo-ph]. Université de Strasbourg, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00872157⟩
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