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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
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
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
2.Imagerie de la fracturation
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
2.Imagerie de la fracturation
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
2.Imagerie de la fracturation
Pourcentage linéaire de pont
rocheux faible (8 %)
Pourcentage linéaire de pont rocheux : 18 %
Profils radar verticauxProfils radar verticaux
Route Route
11/393 juillet 2007
2.Imagerie de la fracturation
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
2.Imagerie de la fracturation
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
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
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
3. Caractérisation physique de la fracture
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
16/393 juillet 2007
3. Caractérisation physique de la fracture
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
3. Caractérisation physique de la fracture
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
18/393 juillet 2007
3. Caractérisation physique de la fracture
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
3. Caractérisation physique de la fracture
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
3. Caractérisation physique de la fracture
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
3. Caractérisation physique de la fracture
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
3. Caractérisation physique de la fracture
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
3. Caractérisation physique de la fracture
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
3. Caractérisation physique de la fracture
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)
25/393 juillet 2007
3. Caractérisation physique de la fracture
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
3. Caractérisation physique de la fracture
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
ConclusionsConclusions
28/393 juillet 2007
Sommaire
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
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
Étude dynamique du phénomène d’éboulementÉtude dynamique du phénomène d’éboulement
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
Étude dynamique du phénomène d’éboulementÉtude dynamique du phénomène d’éboulement
• 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
32/393 juillet 2007
Étude dynamique du phénomène d’éboulementÉtude dynamique du phénomène d’éboulement
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)
Étude dynamique du phénomène d’éboulementÉtude dynamique du phénomène d’éboulement
2. /ch g
5,9s5,9s
Analyse des sismogrammesAnalyse des sismogrammesDétachementDétachementImpact - propagationImpact - propagation
34/393 juillet 2007
Étude dynamique du phénomène d’éboulementÉtude dynamique du phénomène d’éboulement
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
Étude dynamique du phénomène d’éboulementÉtude dynamique du phénomène d’éboulement
Massif
Sol
36/393 juillet 2007
ConclusionsConclusions
•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
38/393 juillet 2007
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 …