MINES LA REVUE DES INGÉNIEURS #519 - 34

Dossier
APPLICATIONS DES TECHNIQUES D'IMAGERIE
L'IMAGERIE
.
MINES_LA REVUE DES INGÉNIEURS
Des structures géologiques à des
kilomètres de profondeur dévoilent
leurs secrets, en l'absence de forages,
grâce à l'analyse des ondes élastiques
qui traversent le milieu. Des techniques
mathématiques comme l'inversion
des formes d'ondes sont au cœur
des méthodes d'imagerie du sous-sol
les plus avancées.
DU SOUS-SOL PAR L'INVERSION
DE FORMES D'ONDE
Par HERVÉ CHAURIS (P93), professeur de géophysique à Mines Paris - herve.chauris@minesparis.psl.eu
et CLÉMENT KOSTOV (P80), chercheur géophysicien indépendant - clement.kostov@mines-paris.org
L'imagerie par méthodes géophysiques a de nombreuses
applications pour la connaissance du sous-sol, à des
échelles et avec des résolutions différentes pour des sites
d'intérêt qui se situent à quelques mètres de profondeur
en dessous de la surface terrestre pour les études géotechniques,
à quelques kilomètres pour la prospection et
l'exploitation des ressources naturelles, et à des centaines
de kilomètres pour la connaissance de notre globe
terrestre4
Obtenir une image du sous-sol signifie déterminer les
propriétés des terrains par l'analyse de signaux émis par
des sources et enregistrés par des capteurs en général
placés à la surface. Les propriétés intéressantes sont
celles qui influencent le phénomène physique mis en jeu,
typiquement la propagation des ondes. Dans le cas de
l'imagerie sismique, des ondes élastiques sont émises, et
les capteurs enregistrent soit des variations de pression,
soit des déplacements de particules. Le géophysicien
sera intéressé par retrouver les vitesses de propagation
des ondes, mais aussi la densité du milieu ou d'autres
caractéristiques.
La méthode de sismique réflexion occupe une place particulière
parmi les méthodes de géophysique appliquées
en industrie en raison de son utilisation prépondérante
dans l'industrie pétrogazière dès les années 1950. En
effet, cette méthode fournit les images du sous-sol avec
la meilleure résolution et a par conséquent bénéficié
d'investissements de recherche et développements très
importants (de l'ordre de 90 % des budgets R&D en
géophysique, en proportion avec les budgets opérationnels
correspondants). Bien sûr les solutions développées
initialement pour l'exploration pétrolière trouvent des
applications dans d'autres domaines qui utilisent les
techniques d'imagerie.
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L'INVERSION DES FORMES D'ONDES
Parmi les techniques d'imagerie de pointe, l'inversion des
formes d'ondes (ou Full Waveform Inversion en anglais,
" FWI " ) s'est imposée ces dix dernières années comme
l'outil préféré par l'industrie pour résoudre des problèmes
d'imagerie très complexes du fait de la géologie des
milieux explorés, tout en répondant aux exigences de
coûts, de délais et d'échelle pour sa mise en œuvre dans
des applications. Regardons plus en détail l'historique et
le fonctionnement de cette technique d'imagerie.
Chacun d'entre nous utilise en permanence ces techniques
d'imagerie : dès que nous entendons quelque
chose, l'oreille, sensible aux variations de pression dans
l'air, transmet l'information au cerveau qui va localiser la
source du signal. Nos deux oreilles sont précieuses : la
différence même subtile des signaux perçus permet -
sans s'en rendre compte - d'identifier la direction d'où
viennent les signaux. L'intensité nous donnera des informations
sur la distance. En un mot, nos oreilles sont d'excellents
capteurs dans une certaine gamme de
fréquences, et notre cerveau traite les données pour en
tirer des informations pertinentes. Au géophysicien de
transcrire cette approche pour caractériser finement le
sous-sol.
Le principe général de l'imagerie est, pour des propriétés
du sous-sol données, de simuler la propagation des
ondes dans ce milieu, et de voir si les données synthétiques
sont bien cohérentes avec les données observées.
Si ce n'est pas le cas, les propriétés doivent être modifiées
pour améliorer le calage. Avant de détailler l'approche,
voici quelques éléments généraux importants.1
Tout
comme pour nos oreilles, il est essentiel d'avoir plusieurs
capteurs. Mieux, il est recommandé de répéter la même
expérience pour plusieurs positions de sources diffé#519_MARS_2023
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