Surveillance hydrologique par corrélation de bruit sismique aux échelles de la subsurface et du laboratoire - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Hydrological monitoring through seismic noise correlation at subsurface and laboratory scales

Surveillance hydrologique par corrélation de bruit sismique aux échelles de la subsurface et du laboratoire

Résumé

One of the greatest challenges to hydrogeophysical methods lies in the development of techniques for temporal monitoring of groundwater over time periods and spatial scales appropriate to the problem being studied.This must be considered while keeping a satisfactory resolution with respect to the dynamics of the process to be characterized by avoiding destructive tools and expensive budgets. For 20 years, the use of passive methods that do not require the use of active source, allows to circumvent the problems of logistics and to obtain signals of increasing quality related to the evolution of their processing and interpretation.Among these passive methods, passive seismic interferometry is a seismic imaging and monitoring method based on the convergence of ambient noise cross-correlations to the Green's function, which describes the physical parameters of the medium in which the seismic waves propagate. This convergence, necessary for imaging, is not essential for monitoring approaches.The work presented in this manuscript focuses on the use of seismic interferometry in the context of characterizing controlled hydrological variations.Indeed, the seismic attributes, and in particular seismic velocities, are sensitive to environmental disturbances, in particular hydrological ones. This work brings together two scales.On the one hand, at the scale of a few hundred meters, a first part will focus on the use of a dense network of seismological sensors installed in order to spatialize dynamically the hydrological variations generated during 20 days by filling/draining cycles of a basin. This basin is located in the Crépieux-Charmy water catchment area in the urban area north-east of Lyon. This work highlights both the sensitivity of seismic velocity variations to the water table fluctuations, but also points out the influence of the unsaturated zone on the seismological measurements.On the other hand, in order to better understand these nonlinear relationships through petrophysical approaches, a controlled laboratory experiment was set up in which filling/emptying cycles of a sand-filled tank were studied. For this purpose, a temporal monitoring was performed using 12 saturation sensors and 2 pressure sensors to quantify hydrological variations, while diffuse seismic noisewas generated by a source and recorded with 10 3-component accelerometers. These data were both analyzed with cross-correlation techniques between stations but also with a single station approach. It shows in particular significant variations in velocity that can be explained in part by strong variations in pressure occurring in this confined environment.Whether in the laboratory or in the field, seismic noise analyses show that seismic velocity variations are in phase opposition with water saturation changes. Their modeling can be done with petrophysical models that must take into account both the effects of fluid substitution generating notably density changes and the effect of effective pressure. The seismic fields being dominated in both cases by surface waves, it is also necessary to take into account their sensitivity kernels in order to refine the correlations between seismic and hydrological variations and then consider a reliable localization of the variations as a function ofof depth.
L'un des plus grands défis des méthodes hydrogéophysiques réside dans le développement de techniques de suivi temporel des eaux souterraines sur des périodes de temps et à des échelles spatiales adaptées à la problématique étudiée. Ceci doit être envisagé en gardant une résolution satisfaisante par rapport à la dynamique du processus à caractériser en évitant les outils destructeurs et les budgets coûteux. Depuis 20 ans, l'utilisation de méthodes passives qui ne nécessitent pas l'emploi de source active permet de contourner les problèmes de logistique et d'obtenir des signaux de qualité croissante liée à l'évolution de leur traitement et interprétation. Parmi ces méthodes passives, l'interférométrie sismique passive est une méthode d'imagerie et de suivi temporel sismique basée sur la convergence des corrélations croisées de bruit ambiant vers la fonction de Green, qui décrit les paramètres physiques du milieu au sein duquel se propagent les ondes sismiques. Cette convergence, nécessaire pour l'imagerie, n'est pas indispensable pour des approches de surveillance des milieux.Le travail présenté dans ce manuscrit se focalise sur l'utilisation de l'interférométrie sismique dans un contexte de caractérisation de variations hydrologiques contrôlées. En effet, les attributs sismiques, et notamment les vitesses sismiques, sont sensibles aux perturbations environnementales, notamment hydrologiques.Nous aborderons cette question à deux échelles.D'une part, à l'échelle de quelques centaines de mètres, une première partie se concentrera sur l'utilisation d'un réseau dense de capteurs sismologiques installés afin de spatialiser de manière dynamique les variations hydrologiques générées pendant 20 jours par des cycles de remplissage/drainage d'un bassin. Ce bassin est situé au sein du champ captant de Crépieux-Charmy localisé en milieu urbain au Nord-Est de Lyon. Ce travail met notamment en évidence à la fois la sensibilité des variations de vitesse sismiques aux battements de nappe phréatique, mais également pointe l'influence de la zone non saturée sur les mesures sismologiques. Afin de mieux comprendre ces relations non linéaires par des approches pétrophysiques, une expérience contrôlée a été montée en laboratoire dans laquelle des cycles de remplissage/vidange d'une cuve remplie de sable ont été étudiés. Pour cela, un suivi temporel a été réalisé à l'aide de 12 capteurs de saturation et 2 capteurs de pressions pour quantifier les variations hydrologiques, alors que le bruit sismique diffus a été généré par une source et enregistré à l'aide de 10 accéléromètres 3-composantes. Ces données ont été à la fois analysées avec des techniques de cross-corrélations entre stations mais également dans le cadre d'une approche par station unique. Elle montre notamment des variations importantes de vitesse explicables en partie par de fortes variations de pression fluide se produisant dans ce milieu confiné.Que ce soit en laboratoire ou sur le terrain, les analyses de bruit sismique montrent que les variations de vitesse sismique sont en opposition de phase avec les changements de saturation en eau. Leur modélisation peut se faire avec des modèles pétrophysiques qui doivent prendre en compte à la fois les effets de substitution de fluides générant notamment des changements de densité et les effets de pression effective. Les champs sismiques étant dominés dans les 2 cas par les ondes de surface, il convient également de prendre en compte leur noyaux de sensibilité afin d'affiner les corrélations entre variations sismiques et hydrologiques et d'envisager ensuite une localisation fiable des variations en fonction de la profondeur
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04440603 , version 1 (06-02-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04440603 , version 1

Citer

Thomas Gaubert. Surveillance hydrologique par corrélation de bruit sismique aux échelles de la subsurface et du laboratoire. Géophysique [physics.geo-ph]. Université de Pau et des Pays de l'Adour, 2023. Français. ⟨NNT : 2023PAUU3018⟩. ⟨tel-04440603⟩
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