Etat de l'art. - InfoTerreinfoterre.brgm.fr/rapports/RR-38659-FR.pdf · déformation latérale de l'échantillon (courbe a). La zone I correspond à un accroissement de la charge,

Ministère de l'Industrie,des Postes et Télécommunicationset du Commerce extérieur

M I N I S T È R E DE

L ' E N V I R O N N E M E N T

Ecoute acoustique et microsismicité

appliquée aux mouvements de terrain.Etat de l'art.

novembre 1995Rapport du BRGM R 38659

BRGM

BRGMSERVICE GEOLOGIQUE NATIONAL

CENTRE THEMATIQUE AMENAGEMENT ET RISQUESDépartement Utilisation et Protection de l'Espace Géologique

Savoie Technolac/BP 22173374 LE BOURGET DU LAC CEDEX

Tél. (33) 79.25.31.32 - Télécopieur : (33) 79.25.31.30

Étude réalisée dans le cadre desactions de Service public du BRGM

95-H-012

\

Ecoute acoustique et microsismicité appliquée aux mouvements de terrain. Etat de l'art.

Mots clés : Microsismicité, glissement de terrains, écoute acoustique.

E n bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

(1995) - Ecoute acoustique et microsismicité appliquée aux mouvements de terrain. Etat de l'art. Document annexe à la

P G 1 1 . Rapport B R G M R 38659.

© B R G M , 1995, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du

BRGM.

Rapport BRGM R 38659


RESUME

D a n s le cadre de la fiche programme 95 H 012 : "Ecoute sismique et acoustique des mouvements de terrain ", financée conjointement par le Ministère de l'Industrie et le Ministère de l'Environnement, le Groupe "Risques Naturels" du B R G M a :

- effectué une analyse bibliographique sur l'état des connaissances en émission acoustique appliquée aux mouvements de terrain,

- pris des contacts avec des organismes travaillant ou ayant travaillé sur le sujet et susceptibles de participer à une action concertée dans ce domaine,

- posé des jalons pour déterminer des conditions techniques d'intervention sur des sites expérimentaux (caractéristiques générales du matériel, liste de sites d'étude potentiels ).

Il ressort des différentes informations recueillies que l'écoute acoustique est un paramètre précurseur des phénomènes de rupture ou de ruine des massifs rocheux à comportement élastique fragile au moins et qu'à ce titre, son étude doit être prise en compte dans des systèmes de surveillance et d'alerte.

Différentes expériences sont relatées, l'instrumentation utilisée est décrite dans chaque cas, et les conclusions en matière de détection et de corrélation de l'émission acoustique avec d'autres paramètres mesurés sont tirées.

N o u s avons rencontré des organismes qui se sont montrés ouverts à l'idée d'unir les efforts pour réaliser des expérimentations sur sites en faisant jouer les complémentarités de compétences et de connaissances.

D e s sites potentiels d'étude, tant en glissements de terrain en Rhône Alpes, qu'en cavités souterraines, en Gironde entre autres, ont été recensés. Ils nécessiteront une reconnaissance plus approfondie avant d'y engager une expérimentation.

Rapport BRGM n° R 38659 3

Ecoute acoustique et microsismicite appliquée aux mouvements de terrain. Etat de l'art.

TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION 6

1. ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE 7

1.1. Aspects théoriques 7

1.2. M o u v e m e n t de terrain 11

1.2.1 finalités de l'écoute acoustique 11 1.2.2. Porto Marina (Californie) 11 1.2.3. Le "Clayed rock of K o b e Group" 12 1.2.4. "Numamae" 14 1.2.5. ISMES 15 1.2.5.1. Système de surveillance de C a m p o Franscia-Ciudè 15 1.2.5.2. Système de surveillance de Val Torregio 16 1.2.5.3. Système de surveillance de Val Pola 18 1.2.5.3.1. Description du réseau de surveillance microsismique 18 1.2.5.3.2. Résultats et corrélations 18 1.2.5.3.3. Analyse-Interprétation 20 1.2.5.3.4. Commentaires 20 1.2.5.3.5. Compléments sur le contrôle de la stabilité 20

1.3. Etudes de cavités 23

1.3.1 Buriano 22 1.3.2 Vauvert 24 1.3.3 Carrière de Villiers A d a m 32

2. COMPTE-RENDU DES CONTACTS ENTREPRIS 33

2.1. Auscultation de la sismicité induite par fracturation hydraulique- B R G M fracturation hydraulique 33

2.2. Auscultation sismicité induite-Géostock stockage souterrain 34

2.3. Chaîne d'acquisition et de traitement-INERIS 34

2.4. Instrumentation et suivi d'un s i te-CETE Méditerrannée 35

2.4.1. Principe de la chaîne d'acquisition 35 2.4.2. Principe d u traitement 36 2.4.3. Perspectives 36

2.5. Instrumentation de versants instables - I S M E S 37

Rapport BRGM n" R 38659 4


3. PERSPECTIVES 38

3.1. Sites instrumentales 38

3.1.1. Versants instables 39

3.1.2. Cavités souterraines 35

3.2. Matériel utilisable et besoins 40

4. CONCLUSIONS 42

BIBLIOGRAPHIE 43



INTRODUCTION

La gestion des risques géologiques, en termes de mouvements de terrains, repose sur deux fondements :

- la reconnaissance de zones susceptibles d'être le siège de tels événements, - la caractérisation et le suivi de phénomènes déclarés.

C e dernier point met en oeuvre les nombreuses méthodes d'auscultation et de surveillance. Afin d'avoir une action la plus efficace possible, il est important de disposer précocement de toute information fiable et pertinente sur l'évolution de l'état d'équilibre d'un m o u v e m e n t de terrain. Les différents paramètres généralement suivis résultent d'investigations :

- extensométriques, - inclinométriques, - topographiques, - piézométriques, - hydrométéorologique, - sismiques.

N o u s nous intéressons ici à ce dernier point. Il est assez peu développée jusqu'à présent. Les signaux issus de la microsismicité et les émissions acoustiques donnent lieux à de nombreuses applications dans des conditions particulières : essais de laboratoire, étude de la fracturation hydraulique, stockage souterrain.

L'utilisation de cette méthode en mouvements de terrain présente potentiellement un grand intérêt qu'il convient de préciser. L'objet de ce rapport est de rendre compte de l'état de l'art sur les expériences menées dans le domaine de la microsismicité et des émissions acoustiques appliquées aux mouvements de terrain.

Après une analyse bibliographique (1) il est rendu compte des contacts pris avec différents interlocuteurs (2). Enfin, les perspectives de développement (3) sont examinées en termes de site, de matériels et de besoins.



1. ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE

1.1. ASPECTS THEORIQUES

Etudes de laboratoire

Elles mettent en évidence le phénomène de l'émission acoustique. Il est lié a des micro-ruptures se produisant dans la roche sans qu'une rupture macroscopique lui soit forcément associée.

L a figure 1, extraite d'un article de Mansurov (1980), montre la variation de l'émission acoustique (courbe b) sur un échantillon soumis à une compression uniaxiale, en fonction de la déformation latérale de l'échantillon (courbe a).

L a zone I correspond à un accroissement de la charge, qui se stabilise ensuite (Zones II et III) et

décroît dans la zone IV. Malgré la brutale modification de la déformation latérale en fin de la zone III, précédée d'une forte émission acoustique, l'échantillon est dans un stade encore très éloigné de la macro-

fracturation. U n e analyse de l'énergie émise dans la zone III (courbe c) montre que l'émission acoustique est caractérisée ici par trois pics d'énergie.


2

fr) - \

/ ! 1

'!íF 1 1

/i, tec:' (50

(00

so

t, * ijt, (2 tfO'UtC

,%__a û— —o—a o

| I t

^WTfa _ tf t-/0'3,sec.

scoo ssoo 9000 t, H Se.c

Figure 1 a) Change of Cross-sectional Deformation and b) Change of A E Rate (N) Depending on Time (t); c) Strength of Elastic Energy Emission (E)

Mansurov


Fey (1993) a procédé à des essais en laboratoire sur différents types de matériaux. Son objectif étant de décrire les phénomènes et de caractériser les matériaux en fonction des contraintes appliquées en évaluant des nombres d'émissions acoustiques par minute.

Il montre les points suivants :

- la rupture intervient postérieurement au pic d'émission acoustique, pendant la période de décrue. Ceci est fondamental pour juger d'une instabilité rocheuse et anticiper une rupture générale.

- bien que la fissuration s'étende dans la roche, la fréquence des événements augmente et les contraintes redistribuent les d o m m a g e s macroscopiques tant qu'un nouvel équilibre n'a pas été atteint.

- l'émission acoustique correspond à la formation et l'extension des fissures rocheuses. C e constat permet d'espérer estimer un état instable du massif rocheux et prédire : séismes, ruptures rocheuses et mouvements de terrain.

U n article de Siqing et Zaoding (1994), fait appel à un modèle théorique qui montre qu'en compression uniaxiale, à taux de déformation ,ds/dt, constant, l'émission acoustique sur un échantillon croit en fonction de la déformation (figures 2.1 et 2.2) jusqu'à une valeur de celle-ci fonction du matériau, puis décroît ensuite.

Cet article montre aussi que pour des compressions répétées sur un échantillon, si le paramètre de d o m m a g e (rapport de micro fracture par unité de volume), lié à l'émission acoustique d'une roche est D l pour une déformation El , il faut que la nouvelle déformation produite dépasse El pour que D ne soit pas nul ensuite, c'est à dire que de nouveaux d o m m a g e s apparaissent sur l'échantillon (figure 3).

E n clair, il faut que la contrainte exercée par la n+1 ième charge soit supérieure à celle exercée par la n iéme pour qu'il y ait à nouveau une émission acoustique.


Fig. 2 .1 . A sketch showing the micro-element.

Fig. 2 . 2 . Relationship between dNIdt and e at the constant strain rate

First load

o/o.(%) Fig. 3

Variation of A E count N of a marble sample with a under uniaxial and cycle load (Chen et al., 1984).


Modélisations

M c C a n et Forster (1989) ont passé en revue les méthodes géophysiques utilisées dans l'étude

des glissements de terrain. Il en ressort que les études en laboratoire sur modèles montrent que

l'écoute acoustique augmente fortement juste avant la fracture, et ceci surtout dans la partie

centrale du glissement.

1.2. MOUVEMENT DE TERRAIN

1.2.1 Finalités de l'écoute acoustique

Dans cet article de M c C a n et Forster, l'écoute acoustique est considérée c o m m e pouvant être

utilisée de deux façons :

- pour surveiller un glissement de terrain sur le long terme, basé sur la prédiction d'un

mouvement imminent,

- ou pour localiser une zone de fracture durant la période de mouvement actif.

1.2.2. Porto Marina (Californie)

A propos de la description de l'écoute acoustique sur le glissement de Porto Marina en

Californie, où une route était fermée dès qu'un taux d'émission acoustique était dépassé,

MCau ley (1976) fait les observations suivantes :

- le taux d'émission acoustique est lié à l'instabilité du glissement.

- une mesure similaire de comparaison doit être faite simultanément sur une zone stable , à

titre comparatif.

D'autres travaux de terrain ont montré que l'écoute acoustique dans les forages permettait

d'identifier à quelle profondeur se situe la zone active d'un glissement de terrain et de localiser

la surface de glissement.



1.2.3. Le "Clayed rock of Kobe Group"

Chichibu et al. (1989) ont étudié une zone de glissement liée la construction d'une route au Japon, le "Clayed rock of K o b e Group". Le schéma joint indique en coupe l'aspect du site et l'emplacement des capteurs, (figure 4)

Matériel

Le récepteur est un accéléromètre (1 à 30 k H z , préamplification 30 d B , amplification 40 d B ) Il est couplé à des mesures de déplacement en surface et des mesures inclinométriques en profondeur. L'accéleromètre est fixé aü bout d'une barre métallique elle-même scellée au mortier dans un forage. C e forage, situé à 1 mètre des mesures de déplacement, atteint 17m de profondeur.

Mesures

- Les paramètres comparés sont le taux moyen d'émission acoustique par tranches de 10 minutes d'une part, les déplacements d'autre part.

- Peu de corrélations ont été observées au début, malgré des taux élevés d'émission acoustique certains jours. Les déplacements mesurés sont toujours restés très faibles.

- Le capteur a ensuite été remplacé par un hydrophone et suspendu à 20 mètres de profondeur dans un forage rempli d'eau, situé à un mètre du premier.

Ici, après une activité intense pendant plusieurs jours, l'émission acoustique a décru. Dix jours après, on mesurait de forts déplacements en profondeur, suivis quelques jours plus tard par des déplacements en surface; les déplacements ont continué à augmenter sans que soit enregistrée une activité acoustique notable, (figure 5).

Les conclusions tirées par les auteurs :

- haut niveau d'émission acoustique, précurseur de déplacements. - large amplitude des signaux pendant l'accumulation des contraintes - grande période de dispersion des mesures pendant le glissement - décroissance de l'amplitude de l'émission acoustique pendant le glissement - forte atténuation de l'émission acoustique si le capteur est loin des zones en mouvement.

Nous retenons la légèreté du dispositif, et la mise en évidence d'une crise d'émission acoustique 10 jours avant le phénomène de glissement.


Displacement meter

Wave guide

(ß=17m)

\

\

Mortar

Another AE transducer installed from March 1

AE transducer

B

Predicted slip surface

— Borehole(ß=30m)

Fig. 4 A sketch of the natural slope.

xi c C 0) 3 e O <D u u GO CO U r-i CD ex

TD C/3 C - H ¡3 T3

100 CD ¿J

CO 8 0 J-i

4_)

CD C 00 3 CO O ^ O <D

> w < < 20

60

40

date

A » _ J Ground surface

Underground

—A A -A

J ^

/ B

07

16

12

^ --¿*-~ ^' A

JT . -P -Q

128 389

2691337 1

Dec. Jan y Feb y Mar.. Apr. 10 20 1 10 20 1 10 20 1 10 20 ' 10

remark Measurement in the borehole

u cO i->

u <u 3 e W CD

u X> CO

3 &.

o w M -H

O T3

Fig. 5 Results of monitoring for the natural slope. A E counts are per 10 min periods. Undergraound displacement is measured in m m while ground surface is in c m .

Ecoute acoustique et microsismicité appliquée aux mouvements de terrain.

Etat de l'art.

1.2.4. "Numamae"

Nakajima et al.(1991) partent du constat suivant :

- avec les techniques d'auscultation habituelles, il est difficile de détecter de légères variations dans un glissement ;

- l'utilisation des émissions acoustiques est spécialement intéressante dans la détection des mouvements lents ;

- il est souvent impossible d'enregistrer directement des émissions acoustiques.

Pour ces raisons, ils généralisent l'utilisation de la barre de Chichiban et al. sous une forme de canne de surveillance. Composée de matériaux composites (fibre de verre et colophane) dans un tube d'acier, sa déformation engendre des sons proportionnellement à sa flexion. Installée en forage et traversant la surface de glissement, les émissions acoustiques sont enregistrées par deux transducteurs situés aux extrémités de la tige.

Mise en oeuvre sur Te glissement de N u m a m a e sur Hokkaido depuis 1989, elle réagit aux sollicitations sismiques mais aussi aux variations de nappe.

L a profondeur de la surface de glissement est calculée en utilisant la mesure des retards d'arrivée sur les 2 transducteurs (la vitesse des ondes est fonction des matériaux de la tige).

E n fonction du nombre d'événements acoustique sont estimés :

- le taux de glissement - le déplacement.

Ils dépendent d'une constante intrinsèque aux matériaux de la canne. L e calcul théorique est possible à partir de la déflexion de la canne.

Cette expérience est particulièrement prometteuse. Il s'agirait d'une sorte "d'inclinomètre sonore", utilisable en mouvements lents et dans les matériaux meubles à condition que l'intérêt des émissions acoustiques soit bien justifié : finesse et précision de la mesure, grande réactivité du mouvement aux déclencheurs. Ce dispositif permet en outre de s'affranchir des problèmes de bruits de fonds



Etat de l'art.

1.2.5. I S M E S

Cet organisme Italien à mis en oeuvre, à plusieurs reprises, un réseau microsismique dans le cadre d'une instrumentation complète de versants instables.

1.2.5.1. Système de surveillance de Campo Franscia-Ciudè

Cet article décrit l'instrumentation de la zone de C a m p o Francia-Ciudè. L a présence de mouvements de terrain potentiellement de grandes ampleurs a décidé un effort important d'auscultation :

- réseaux estensométriques superficiels et profonds ; - réseau piézométrique ; - réseau microsismique ; - réseau topographique ; - réseau hydro-météorologique.

U n m o u v e m e n t lent mais continu a pu être observé, sans rapport direct avec les précipitations normales. Le facteur anthropique, relié essentiellement au défruitement minier et à la présence de cavités souterraines, semble primordial.

Dans ce contexte très particulier, il apparaît que le réseau microsismique n'a pas relevé de signaux particulièrement utiles, ni à des fins d'alerte, ni pour la compréhension générale du phénomène. L a rareté et les difficultés d'interprétation des signaux indiquent que l'état de contraintes du massif évolue selon un mécanisme asismique. U n e courte période, plus favorable durant l'hiver 90, a permis malgré la difficulté de mesurer les temps d'arrivée, la localisation du foyer et sa caractérisation c o m m e un mécanisme distensif.

Cette expérience de l 'ISMES est peu concluante mais très intéressante. Elle met en évidence la nécessité de travailler sur un site avec une réelle activité microsismique ou acoustique. Par ailleurs, la présence de galeries et de vide atténue le signal que vient encore troubler un important bruit de fond d'origine anthropique.



Etat de l'art.

1.2.5.2. Système de surveillance de Val Torregio

A la suite des précipitations exceptionnelles de juillet 87, dans la basse vallée Torregio, de nouveaux éboulements d'une ampleur notable ont eu lieu avec des conséquences particulièrement destructrices.

U n système de surveillance géotechnique, microsismique, topographique et hydrométéorologique a été installé. Cet article examine l'ensemble des données après deux années d'observation.

• Description du réseau de surveillance microsismique

Il comprend 15 géophones :

- 1 station sismométrique tridimensionnelle équipée d'un sismomètre à trois composantes, de fréquence propre 1 H z , à sensibilité nominale de 273 V s / m ;

- 9 stations sismométriques unidirectionnelles superficielles, dotées de sismomètre à composante verticale, de fréquence propre 4,5 H z et de sensibilité nominale, 40 V s / m ;

- 5 stations sismométriques unidirectionnelles en forage, dotées de "géophone puits" de m ê m e s caractéristiques que les géophones superficiels.

Le schéma du réseau est le suivant :

capteurs "^ amplificateur

convertisseur numérique

transmission radio

*

Acquisition numérique

Discrimination sur seuil S T A / L T A



• Analyse et synthèse des données microsismiques

L e réseau enregistre des signaux relatifs aux éboulements, émissions acoustiques et mouvements telluriques. E n particulier, les émissions acoustiques proviennent essentiellement de l'ouverture de nouvelles fractures.

Les données recueillies permettent quelques considérations générales :

- l'intensité et la fréquence des émissions acoustiques représentent une donnée extrêmement significative de l'évolution d'un désordre rocheux.

- de telles données perdent de leur intérêt dans le cas de terrains de couvertures ou de massifs rocheux intensément cataclasé. Ceci est dû probablement à la dispersion du signal et au comportement différent du phénomène qui devient plastique avec une baisse progressive de l'état de contrainte.

- Les données significatives proviennent exclusivement des capteurs proches des principales fractures, par ailleurs bien suivies par le réseau extensométrique superficiel.

- A l'égard du site de Val Torreggio, il faut considérer que les désordres apparaissent sur une aire plutôt importante et pas toujours bien circonscrite.

- Les différents enregistrements déterminent un bruit de fond général dans lequel il est difficile de discriminer et localiser les événements singuliers.

- U n e augmentation des événements enregistrés est observée en correspondance avec les périodes pluvieuses et de fonte des neiges.

• Commentaires

L'instrumentation mise en oeuvre est importante, mais pas forcément employée à bon escient.

L'exploitation des données et le traitement du signal sont peut être insuffisant malgré quelques

conclusions importantes.



Etat de l'art.

1.2.5.3. Système de surveillance de Val Pola

Après les précipitations exceptionnelles de 1987 et le glissement qui se produisit, et tua 28 personnes, un système de surveillance a été installé en Val Pola (haute Valtelline). Cet article fait le point après deux ans d'enregistrement.

1.2.5.3.1. Description du réseau de surveillance microsismique

Le réseau microsismique, a été le premier installé après la catastrophe, il complète l'instrumentation géotechnique, topographique et hydrométéorologique. Son objectif est de signaler la restitution d'énergie élastique associé aux plans de rupture de la roche mais aussi les mouvements relatifs des masses rocheuses. Par ailleurs, sont également enregistrés des événements sismiques locaux et plus lointains.

Tous les géophones,_de construction américaine (Mark) sont à composante verticale, hormis trois géophones tridirectionnels et un hydrophone. E n outre, trois géophones à composante verticale sont de types puits et installés en forage.

La fréquence propre de la majeure partie des géophones est de 4,5 H z , elle est de 1 H z pour les autres. Ces fréquences ont été jugées les plus idoines au type de signal significatif pour la surveillance.

Chaque géophone est relié à un système amplificateur/modulateur. Le signal traité est transmis par radio en temps réel au centre de Cepina où, une fois démodulé il est enregistré sur un tambour papier et numériquement sur bande magnétique.

La procédure d'alerte reliée à ce réseau prévoit l'évacuation au dépassement du seuil de 2 émissions acoustiques par minute pendant 3 minutes consécutives sur au moins une station du réseau.

Durant l'été 1988, 29 stations sismométriques à composante verticale et un vélocimètre ont de plus été installés pour étudier le relâchement de l'énergie élastique après l'éboulement du 15 juin 1988 et les purges à l'explosif.

1.2.5.3.2. Résultats et corrélations

Pour les 3 années de mesure, les auteurs examinent sur différentes zones la correspondance entre les données acquises par le réseau de surveillance.

* Année 1987

Zone A

Le réseau microsismique a enregistré des éboulements et des émissions acoustiques concentrés

sur 3 périodes.

O n observe une correspondance partielle entre l'activité microsismique et les mesures de distances, et une bonne corrélation avec les pluies cumulées suffisamment importantes.



Zone B

Les 3 périodes reconnues dans la zone A restent prépondérantes pour les émissions acoustiques, on y reconnaît distinctement les mouvements de terrain avec un délai d'environ 1 à 2 jours.

L'activité microsismique est très élevée, elle n'a pas d'incidence sur les appareils de mesure. Les corrélations avec la pluie sont analogues à celles de la zone A .

Zones C - D

La corrélation entre activité microsismique et précipitations apparaît bonne aussi bien en considérant les mouvements de terrains que les émissions acoustiques. E n particulier avec des pluies journalières de dizaines de millimètres on note une augmentation nette de l'amplitude et du nombre des événements.

* Année 1988

Zone A

En confrontant les événements enregistrés par la microsismicité et les mouvements obtenus à deux extensomètres, on observe une correspondance optimale entre les m a x i m u m des deux réseaux, avec deux à trois jours d'anticipation par le réseau microsismique.

La comparaison des émissions acoustiques et des mesures extensométriques montre une seule préannonce de 6 jours (pic du 11/06/88) puis une activité diffuse. Les émissions acoustiques et la pluie montrent aussi des correspondances diffuses.

Zone B

Les émissions acoustiques sont de bons précurseurs (10 jours d'anticipation) sur l'éboulement du 15/06/88. L'activité s'arrête ensuite. La corrélation émission acoustique/pluie est faible hormis au printemps ou la concentration d'événements microsismiques s'accorde avec les variations extensométriques et répondent, presque systématiquement, immédiatement à des périodes pluvieuses intenses.

Zone C - D

Les émissions acoustiques sont concentrées sur la première quinzaine de mai, les mouvements perçus par la microsismicité apparaissent à l'inverse sur 4 périodes. Une très bonne corrélation existe avec les périodes pluvieuses.

* Année 1989

Pour toutes les zones, on ne note pas d'émission acoustique tandis que les mouvements de terrain enregistrés par le réseau microsismique sont limités au printemps. Les corrélations avec les pluies sont partielles, meilleures en juin /juillet.



1.2.5.3.3. Analyse-Interprétation

O n peut distinguer plusieurs étapes dans le comportement du massif rocheux. A la suite immédiate de l'éboulement, les mouvements qui montrent souvent des corrélations significatives avec les précipitations sont à imputer à une recherche au niveau local de l'équilibre des portions rocheuses instrumentées.

A partir de 1988, les données obtenues peuvent être reliées à un comportement généralisé.

Les mouvements de terrain enregistrés par le réseau microsismique diminuent à partir de 1987. O n observe presque toujours une très bonne corrélation, presque immédiate, avec la pluie.

L'activité des émissions acoustiques diminue de la m ê m e façon. D e toute façon, quand elles ont été enregistrées, les émissions acoustiques se sont montrées un instrument valable de préavis pour la détermination temporelle des phénomènes de rupture (frammenti in roccia), avec une augmentation significative de l'amplitude et de la fréquence des signaux jusqu'à une semaine avant le mouvement de terrain.

1.2.5.3.4. Commentaires

Sur la Val Pola, l'instrumentation importante et l'exploitation minutieuse des données a permis des conclusions intéressantes sur l'opportunité d'un suivi de la microsismicité et des émissions acoustiques :

- .une très bonne corrélation entre les mouvements de terrains enregistrés par la microsismicité et les précipitations, alors que celle entre pluie et émissions acoustiques est plus mauvaise ;

- bonne corrélation entre variation extensométrique et activité microsismique.

Cette expérience a l'intérêt de suivre différentes étapes du comportement du massif rocheux. Avec le vieillissement des ruptures, les enregistrements par le réseau microsismique se font plus rares.

De plus, un système d'alerte a pu être mis en place, montrant l'intérêt du traitement en temps réel des données.

1.2.5.3.5. Compléments sur le contrôle de la stabilité

Sur la m ê m e expérience cet autre article décrit plus précisément la technique et le matériel employé. Le réseau de surveillance des microséismes et des émissions acoustiques bien qu'installé après le mouvement de terrain a permis l'enregistrement d'un grand nombre de signaux relatifs aux chutes de blocs et à la fissuration du rocher instable.



Sur un enregistrement, on peut noter que la chute d'un bloc est précédé d'une dizaine de minutes par de clairs signaux de rupture.

Cette méthode présente l'intérêt d'être simple à appliquer et rapide à installer. Elle permet le

contrôle d'une aire plus vaste que les techniques traditionnelles.



1.3. ETUDES DE CAVITES

1.3.1 Buriano

Géostock présente une étude de sismicité au dessus d'une zone de dissolution de sel en Italie, à Buriano pour la société Solvay (figures 6 et 7). Le but est de donner des consignes de sécurité à partir d'enregistrements sismiques.

L e matériel :

L'équipement, 18 capteurs sismiques, couvre une surface de 2 k m par 2,5 k m .

Le signal est envoyé par câble sans amplification au système central d'acquisition. Là , le signal est amplifié (gain 200) et filtré (filtres passe bas 30 hertz) avant conversion analogique / digital.

Le traitement se caractérise par :

- conversion sur 39 canaux au m a x i m u m .

- précision de 12 bits au taux global de 80 000 échantillons / sec, tous canaux confondus - affichage des canaux sélectionnés et détection conditionnelle des événements sismiques.

Si le rapport S T A 1 / L T A 2 dépasse un seuil fixé sur plus de 3 stations, le transfert .des données (sur 6 secondes après le déclenchement et 2 secondes avant) est effectué sur le disque dur d'un micro-ordinateur.

Tous les matins, une procédure de visualisation des enregistrements permet d'effacer les

événements qui ne sont que du bruit pur (50 H z ou pics isolés) et de diviser ainsi par un facteur deux les volumes stockés.

Interprétation de terrain.

Chaque jour les événements sont pointés et localisés rapidement (par les 3 premiers géophones ayant détecté le signal) et des règles d'accès au site données en conséquence.

Interprétation sur le long terme :

Les epicentres et les profondeurs sont calculées.

Des cartes sismiques sont ainsi faites, et l'activité est étudiée en fonction du temps (durée) et de

la profondeur. 3 modes de production de microséismes sont identifiés :

- événements isolés et aléatoires (1 à 5 par jour): liés à de la subsidence.

- longues périodes d'activité modérée mais concentrée (5 à 50 par jour): suit de soudains et grands événements. Associé à des lessivages de cavités ou des chutes de toit.

Short Time Average Long Time Average


subsidence BRINE

Figure 6 : Schematic salt leaching processing

• ' ? - » . -«•-»*,* v k - . r - . i - ; . - ; - ; . , . ^ -

.• ,.-.••- - . ' v . • : ' - ' V ^ s ^ - : - :r- ; £ - - ._:

.*%'•,-*•;-_T-";a-_-'-- . - " - " - " - - - - >

: * : ' - * . - T ^ ' : * . - 5 - - - : V > T à ~ - i - * -.-)

Figure 7 : Buriano seismic monitoring network Legend 13

Seimic station

Well


- courtes périodes d'activité mais intense : (200 à 500 événements par jour): liées à des effondrements. Ces périodes permettent d'identifier des fronts de zones de fragilité ("failure front ") et d'identifier des zones potentielles de subsidences, (figures 8 à 10)

Cette méthode met en oeuvre un matériel important (18 stations) et nécessite un traitement

quotidien. Elle permet de détecter et localiser des effondrements, mais en utilisant de nombreux

capteurs.


2288-

1 2188-

Z ö ö ö -

1 ©

A S

19 78 2178

13A

»

«

8

1 _

, «

«

»

2378

Lri $

1

' •

•

25

k •

«

78

" A ^ IS

A 3

>o

2778

s

._ü

Legend |

« Setsnéc evert

O Production w H

A Transducer

2978 3178

Figure Sa : Buriano seismic monitoring • Epicenter m a p Period A : 20XOJ93 • U A 3 / 9 3

Period A :

| 2288-

2188-

• 2888-

1988-

• 1888-

1788 -

| 1588 -A S

19

• © ?B

Sparse seismicity

21

3A

8A

.1

l

Ú m rifJ

»<!

Ir r. V«

s

>*

rdou*

3

tone

i1

O

3

Ji*.

|Legend|

• Seismic evert

O Production wel

£ Transduce

78 2378 2578 2778 2978 3178

Fiqureâc: Buriano seismic monitoring • Epicenter m a p - " Period C : 16VOM3 - 3AM/93

Period C :

H c ass

Growing seismicity over leaching

zone (15 days period)

ification of the zone as hazardous"

'

"

" t\ S

"

I3A

6

•

«.

12

¿JÀ & A

mt

•

A * * 15

m

?

a 3

O

'

9

•

™A

•

|Legend |

0 Seísnéc event

0 Production w d

A Transducer

•

1978 2178 2378 2578 2778 2978 3178

© Figure 5b: Buriano seismic monltorlnq - Epicenter m a p

Period B : 1403/33

Period B : Strong seismicity (75 events)

"Birth of the collapse phenomenon"

-

Î

-

I 3A

Ct lapse

.

8

12

.

Î •

,.

•

A 0

IS

• >

A 3

- S -

0

,

Ji

|Leoe<«j|

e> Seisrráceven!

0 Production w d

A Transducer

' 1 1 1 —,—r 1978 2178 2378 2578 2778 2978 3178

© Figure Sd : Buriano seismic monttorinej_- Epicenter m a p

Period D : 0Z/O5A3

Period D : Strong and concentrate seismicity

"Underground collapse"

A 5

1 19

.© 78 21 78

¡3A

8

23

•i

•

78

a- . P

25

•

• " .

•

•

78

A U

IS

Colar

i

27

3

ae

A 3

o

78

3

29

14

A

Legend |

• Seiscrtc evert

O Producton ***!

A Transduce

78 3178

Figure Se '. Buriano seismic monitoring - Epicenter m a p

Period E : 01/06/93 - 07/06/93

'eriod E

I Modérale arid concentrated seismicity "Root subsidence"

Figure 8 Exemple of seismicity evolution

250 Time Distribution

l St 41 <Î1 »Ï \m T£î Î41 tSt ItSt SO* 2S1 124* £4t fi«> «01 321 341 3Í1

n a* si ?i *t m is) tsi »t i« s»? £»i as* ¡m »i 31* „sat asi Time ( Day )

Figure 9 Chronograph , Time versus seismic activity ( Cf Epicenter maps of Period A, B, C, D, E, on figure 5 )


1.3.2 Vauvert

U n e autre étude est présentée par Géostock et Elf-Atochem à Vauvert (Nord ouest du bassin de la Camargue), sur le site de Elf-Atochem où est produite de la saumure par dissolution d'une formation salifère à une profondeur comprise entre 1900 et 2800 mètres .

Matériel :

Il comprend un géophone triaxial ancré dans un forage à 1800 mètres de profondeur et de 4 géophones tridirectionnels en subsurface (25 m ) . Les géophones sont reliés à un système d'acquisition central, (figure 11)

Le signal analogique est préamplifié sur le terrain avant transmission par les câbles, puis filtré passe-bas (anti-aliasing) avant conversion analogique digital.

Traitement :

Le traitement est particulièrement riche, il comprend :

- filtrage ;

- analyse spectrale ; - analyse du mécanisme au foyer ; - localisation hypocentrale ; - une analyse de polarisation des ondes S (algorithme IFP) ; - l'analyse de la distribution sismique.

Les données sont gérées pour le long terme dans une base de données.

L a microsismicité :

Sur les 247 événements locaux enregistrés, seuls 23 (7 % ) l'ont été par le réseau de surface avec

un rapport signal sur bruit suffisant pour lire les arrivées des ondes P et S. E n forage le spectre des événements enregistrés va jusqu'à 150 H z , alors qu'en subsurface il ne va que jusqu'à 45 H z . L'analyse des séismes induits n'est réalisée qu'à partir du géophone profond (trop de bruit et d'atténuation pour les géophones de subsurface). Les séismes ont été classés en 2 groupes: "cisaillants" ou "longue période". Les longues période n'ont pas été entièrement exploités. Les "cisaillants" ont été localisés par le paramètre angulaire de l'onde P et la différence d'arrivée des ondes P et S. Les séismes (magnitude de durée: -1.5 à 0.1) sont localisés à des distances de 400 à 1000 mètres de la sonde, entre 1900 et 2500 mètres de profondeur (figures 12,13 et 14).


154968-j

154888

154888-

154728-

154648-

154568

154488-

154488-

154328-

154248-

L13

13 17

14

19

\ \ \

Calibration shot

9

10

A \ 10 \

12 ^

11

- - O v v\21

21 (

16 ,

T — • — i — • — i — ' — i — • — i — • — i — ' — i — ' — i — • — i — ' — i — ' — i — • — i — • — i — ' — r

758158 758318 758478 758638 758798 758958 759118

Figure 11 Elf Atochem Vauvert Seismic monitoring network

Legend | ^ Depth transducer

A Subsurface transducer

Wei

SAS2000-28 SPECIFICATIONS

Measurements Geophone type Geophone sensitivity Frequency response Amplifierprogramable gain Input noise level

OYO 28 Hz 11 V/m/S 28 Hz to 800 Hz 40 to 100 dB (20 dB steps) 0.3 ftV (10 Hz to 5 KHz)

The sonde includes a geophone calibration circuit to test the sonde response. Two optional auxiliary chañéis are available for measurements such as pressure or temperature.

Environmental Maximum sonde pressure Operating temperature range Shocks Operating head voltage Operating current

700 bar -55 to +150 "C 100 g, 11 ms 75Vdc 80 mA

Mechanical Length 2000 mm Closed diameter-7" casing type 145 mm Closed diameter-9"5/8 casing type 200 mm Anchoring force 800 N Weight 18 Kg

155388H

155188

15586BH

154948

154828

154788-

154588-

154468-

154348-

154228 S3A°-

F3

7\ 8 s

\

Legend

Seismic events :

• Class 20-21

• Class 13-14-17

• Class 18-19

• Class 7-8

A Subsurface transducer

O Depth transducer

®-, Production well

- I i | i | i | i i i | i J i | i | i | i f -

758828 758268 758588 758748 758988 759228 759468

Figure 12 : Elf Atochem Vauvert seismic monitoring - Preliminary results EPICENTER MAP

2188 N -48

19 i ' r 95

i '—i—•—i '—r

171 247 323 i ' r

399 475

Figure 13 :

Cross-section N W - S E : Class 20-21 et 13-14-17

Legend

• Seismic event

-I- Top dissolution

geostock

Legend Subclasses arrangement is based on the S wave polarization pattern.

• Subclass 1 « Subclass 3 • Subclass 5 • Subclass 7 • Subclass 2 • Subclass 4 • Subclass 6 - I -Top dissolution

Figurei4 Cross-section N W - S E : Class 18-19


Classification des éléments :

L a carte des epicentres établie à partir des profondeurs et de l'azimut source-capteur permet dans un premier temps de dire quelle série de puits est concerné par la fracturation hydraulique, (voir coupes figures 13 et 14).

Les mécanismes de fracturations sont différents m ê m e dans dés cas où les charges et les conditions d'exploitation sont supposées identiques.

Différentes classifications sont ensuite faites :

- A partir du déplacement du spectre de l'onde S, des paramètres de source sont estimés : chute de contraintes, rayon de la source.

- Le rapport des amplitudes des ondes P et S associé au diagramme de polarisation de l'onde S (l'algorithme développé par l'IFP) semble permettre des corrélations avec les taux de fracturation.

Les auteurs concluent que dans une telle expérience, la surveillance microsismique constitue un

système de prédiction et de prévention plus qu'un système de report après coup des événements.

Pour être efficace, le système doit être mis en place dès le début de l'opération et être très

sensible et fiable.

Cette méthode est intéressante par la légèreté du dispositif en place (1 capteur triaxial en

forage, les capteurs de surface étant accessoires). Le signal est exploité de façon approfondie .



1.3.3 Carrière de Villiers A d a m

Sur un site non précisé dans l'article, mais probablement situé à Villiers A d a m , des mesures d'émission acoustique ont été réalisées dans une carrière souterraine mise en charge par des dépôts de déblais en surface.

Matériel :

Des accéléromètres ont été fixés sur un des piliers de la carrière. L a sensibilité des capteurs était de 60 m V / g et la réponse en fréquence de 2 à 16 K h z .

Des plots extensométriques fixés sur les piliers fournissaient des mesures de contraintes et déformations.

Mesures :

L a plupart des émissions acoustiques ont des niveaux d'environ 0,01 g. D e u x périodes ont été distinguées:

- U n e phase de mise en charge : elle est caractérisée par un taux élevé d'émission acoustique qui est attribué à la fracturation du toit rocheux. Les jours de crise, les taux sont d'environ 15 000 émissions en une journée. - U n e phase de charge constante, avec un taux m o y e n d'émission acoustique et un pic lié à l'observation visuelle d'une fracture progressive dans le pilier.( taux d'émission d'environ 5000 émissions en une journée). L ' article indique que la comparaison des courbes de déformation mesurées sur les piliers avec le taux d'émission acoustique montre une bonne corrélation.

Rapport BRGMn" R 38659 32


2. COMPTE-RENDU DES CONTACTS ENTREPRIS

Parmi les organismes et sociétés fournissant des services pour concevoir, installer et maintenir un réseau, ainsi que pour acquérir et interpréter les données, on remarque :

- BGS et CSMA (GB), - Géostock et l'IFP (F), - DMT(D), - I S M E S ( I ) .

Concernant l'application de la sismicité induite des réservoirs souterrains, l'état de l'art de l'instrumentation sismique montre qu'il est désormais possible de concevoir des réseaux de surface et de profondeur combinés au traitement en temps réel de signaux sismiques et la localisation de micro tremblements de terre.

La transposition des techniques et méthodes à la détection et la prévision de mouvement de terrain est envisageable dans la mesure où certaines expériences acquises sont exploitables.

Des contacts ont été engagés avec les interlocuteurs ayant une action dans le domaine de l'écoute acoustique, afin de connaître l'état de leurs recherche, le matériel qu'ils ont utilisé, les problèmes qu'ils ont pu rencontrer.

2.1. AUSCULTATION DE LA SISMICITE INDUITE PAR FRACTURATION HYDRAULIQUE- BRGM

Le B R G M travaille dans le cadre d'une collaboration européenne sur le site de Soultz. A cette occasion un rapport de H . Fabriol traite de la surveillance de la sismicité induite. Après une revue de cas et un rappel préliminaire, il est dressé un inventaire des réseaux de mesure et des matériels disponibles sur le marché. Bien que les domaines d'application soient différents, les techniques restent voisines.

O n note en particulier que les organismes suivants fournissent du matériel :

- Lennartz (D) :

. sismomètre,

. station sismologique,

. réseaux télémétrique numérique,

. ordinateurs,

. logiciels intégrés.

- Earth Data Limited ( G B ) :

. sismomètre,

. système télémétrique,

. station d'acquisition et de traitement.



- I S M E S ( I ) : système de surveillance sismique intégré.

- L D G ( F ) : . sismomètre . système de surveillance sismique intégré.

A u x Etats Unis : Kinemetrics, Nanometrics, Sprengnether et Teledyne Geotech fournissent également des systèmes de surveillance sismique intégrés.

Les capteurs sont disponibles auprès de : C S M A ( G B ) , Createch (F), O y o (J), Teledyne Geotech (US), M a r c k product, etc.

L a télémétrie, hormis les sociétés mentionnées plus haut, peut être trouvée parmi des organismes d'instrumentation c o m m e Johne et Reilhofer (D) et Measurement Dévies Limited ( G B ) .

2.2. AUSCULTATION SISMICITE INDUITE EN STOCKAGE SOUTERRAIN-GEO STOCK

Messieurs Nicoletis et Maison ont été contactés téléphoniquement. D e la documentation nous a ensuite été remise, (voir bibliographie).

Géostock assure une prestation intégrée modulable en écoute sismique ; essentiellement en stockages souterrains. Ils conçoivent des réseaux d'auscultation (SEISCOP) et développent des logiciels de traitement des données ( S E I S T O O L , commercialisé), calculant l'arrivéee des ondes P, S, les angles d'incidence.

E n marge des sites de réservoirs, des auscultations de cavités souterraines relativement superficielles permettraient, sur 2 sites, d'anticiper les effondrements en surface.

2.3. CHAÎNE D'ACQUISITION ET DE TRAITEMENT-INERIS'

L T N E R I S a développé une chaîne d'acquisition et de traitement de données microsismiques ( S Y T M I S ) . L'automatisation du procédé permet de répondre à deux types de problèmes :

- traitement en temps réel (prévention et systèmes d'alarme) ; - traitement en automatique d'importantes quantités de données.

Le c h a m p d'application du système va potentiellement de l'éprouvette rocheuse au massif à l'échelle régionale. Néanmoins, chaque nouveau site nécessite une phase d'apprentissage : expertise du site et calibration des paramètres.

Institut National de l'Environnement industriel et des Risques.



Etat de l'art.

- traitement en temps réel (prévention et systèmes d'alarme) ; - traitement en automatique d'importantes quantités de données.

L e champ d'application du système va potentiellement de l'éprouvette rocheuse au massif à l'échelle régionale. Néanmoins, chaque nouveau site nécessite une phase d'apprentissage : expertise du site et calibration des paramètres.

L e S Y T M I S permet la localisation des ruptures et la détermination de caractéristiques dépendant du réseau de capteur et de la pertinence des modèles mathématiques. D e plus, cette chaîne d'acquisition correspond à une instrumentation de volume qui permet de mieux comprendre la rupture à l'intérieur du massif.

L ' I N E R I S (ex. C E R C H A R 4 ) a travaillé dans le domaine de la microsismicité, sur la mine de Gardanne (13) et sur des sites profonds (réservoirs, fracturation hydraulique) mais n'a pas encore semble-t-il d'expérience en mouvement de terrain. Sa chaîne d'acquisition paraît très prometteuse par sa grande capacité de traitement.

2.4. INSTRUMENTATION ET SUIVI D'UN SITE-CETE MÉDITERRANNÉE

L e C E T E Méditerranée de Nice, mène une opération d'instrumentation du site de la Clapière (06) par écoute sismique depuis 1990. Leur souci est l'aspect surveillance et alerte que peut apporter cet outil en complément de l'instrumentation classique.

L e site choisi est un glissement en milieu rocheux de grande ampleur. Ces deux caractéristiques sont nécessaires. La nature géologique induit des ruptures provoquants des émissions acoustiques et une activités de type sismique appelée nanosismicoté par JP. Méneroud. L'importance du phénomène justifie que l'on puisse s'intéresser à une nouvelle méthode.

2.4.1. Principe de la chaîne d'acquisition

L e C E T E de Nice utilise une station Lennhartz (Mars 5800) et 2 géophones unidirectionnels verticaux lhz, situés à 100 m de distance. Ils sont scellés au rocher, en dehors de la zone en mouvement , leur implantation répond à des critères d'accessibilité et de sûreté vis-à-vis des chutes de blocs.

Pour une bonne transmission des ondes jusqu'aux géophones, ceux-ci sont dans un massif drainant, protégés par une poche plastique, remplissant une cavité de 50 c m . U n e semelle en béton isole les géophones de l'extérieur.

A u niveau de la station : un encodeur ( C A N ) traite le signal retransmis par ondes radio (à vue) sur Saint-Etienne de Tinée. L'alimentation de la station et de l'ensemble du dispositif est assurée par des batteries reliées aux panneaux solaires. C e principe permet une totale autonomie. A Saint-Etienne de Tinée se trouve un désencodeur qui reconvertit le signal numérique en analogique. U n e acquisition analogique en continue est conservée sur bandes, tandis qu'un seuil de déclenchement (rapport S T A / L T A ) discrimine les séquences retenues pour un

Centre de Recherche des Charbonnages de France.



2.4.2. Principe du traitement

Avant le stade opérationnel, le traitement des signaux enregistrés nécessite un apprentissage qui a permis l'automatisation de certaines procédures (logiciel de traitement Autoclap, développé par J M Verdier). Il faut ainsi :

- filtrer les signaux parasites (orages, vent, animaux, passages, etc..) ; - reconnaître le type d'événement selon les définitions retenues en concertation avec les

travaux de l'ISMES sur la Valtelline ; - comparer les signaux sur les voies des capteurs ; - dénombrer les événements ; - calculer un certain nombre de caractéristiques : énergie du signal (durée/amplitude),

fréquence du pic, etc..

A la suite de ce traitement, il reste un tri manuel pour éliminer des éboulements reconnaissables à l'oeil, mais difficilement discernables par un algorithme.

L e traitement actuellement réalisé en différé permet une rétro-analyse.

L e nombre d'événement et leurs types doit être comparé aux capteurs classiques (précipitations, déplacements).

D e bonnes corrélations sont mises en évidence sur les mesures effectuées dans une zone amont où la rupture est plus récentes donc plus franche. L a succession dans le temps : pluie -microruptures - déplacement, est démontrée. Elle semble attester, au moins sur ce site, du bien fondé de l'écoute sismique c o m m e m o y e n d'alerte (antérieurs aux déplacements de 2 à 3 jours). Les microséismes enregistrés sont ici des précurseurs des déplacements.

2.4.3. Perspectives

L'instrumentation mise en place (2 géophones) est assez probante, mais insuffisante pour trier les événements (absence de signal sur une voie) en m o d e automatique. D e plus, de nouveaux matériels seraient nécessaires pour passer à l'étape de localisation de la source du signal.

Le site de la Clapière semble trop ancien, à l'exception de certaines zones, pour être le siège de ruptures franches. Cette considération et le besoin de valider l'expérience dans un contexte différent, sont favorables à des travaux sur un autre site.

L'application de l'écoute sismique au site de la Clapière par le C E T E de Nice est en veille actuellement par manque de financement. Toutefois, la volonté de poursuivre est forte si des fonds peuvent être trouvés dans le cadre d'une collaboration.



2.5. INSTRUMENTATION DE VERSANTS INSTABLES - ISMES

M . Baldi, de l 'ISMES de Bergame a été contacté par téléphone. Vivement intéressé par toutes perspectives de collaboration, il nous a parlé dés travaux de l'ISMES sur le sujet. Nous avons pu retrouver des articles relatifs à leurs travaux par ailleurs, (voir bibliographie)



3. PERSPECTIVES

3.1. SITES INSTRUMENTABLES

Les sites potentiels doivent répondre à un certains nombres de critères. M . Messin et C . Mathon, géotechniciens,5 en ont proposés quelques uns, respectivement dans le cadre de versants instables ou de cavités souterraines.

3.1.1. Versants instables

* Critères techniques

Il faut être sûr d'obtenir des enregistrements significatifs interprétables physiquement. C'est pourquoi les critères suivant doivent être autant que possible vérifiés :

- événement se produisant en milieux rocheux (comportement élastique fragile) ; - phénoménologie peu complexe ; - existence de déformations significatives à l'échelle de l'expérimentation ; - informations et mesures antérieures (classiques) disponibles ; - environnement peu perturbé (absence de bruit de fond: industriel, circulations,etc.) ; - le site doit présenter un enjeu important pour justifier la mise en oeuvre d'une telle méthode.

* Critères logistiques

L'instrumentation doit être réalisable à moindre coûts et dans les meilleures conditions :

- droits d'accès (propriétés, collaboration entre différents organismes) ;

- accessibilité au site, en toute saison, sans disposition spécifique lourde ; - points d'observations faciles à atteindre (alimentation, transmission).

Pour la région Rhône-Alpes, M . Messin a pré-sélectionné les sites suivants :

Communes

- Nantua - Boule

- Le Planay - Peisey-Nancroix - Pontamafrey-Montpascal - Arèches-Beaufort

- Bonvillard - Brides-les-Bains

Département

(Ol) (26) (73) (73) (73) (73) (73) (73)

Lieu-dit

Barre des Fècles Revel

Le Villard Le Friolin

Le Grand Coin Crêt Bron

La Saulce

Centre thématique aménagement et risques (Chambéry) du B R G M ( S G N / U P E / R N G / A M R ) .



Etat de l'art.

- St Jean-de-Maurienne - Montrichier - Ugine - Montagny - Montgirod - Ste Foy-Tarentaise - Passy - Samoëns - Chamonix - Chamonix - Sallanches

(73) (73) (73) (73) (73) (73) (74) (74) (74) (74) (74)

Rocheray

Moulin Ravier Rocher Emeris Etroit du Siaix

Viclaire Les Echines

La Flégère Le Tour Méribel

Chacun des sites se révèle aujourd'hui imparfaitement connu, une première étape consiste à recueillir les informations existantes et les compléter par des visites de terrain. U n travail de thèse de l'université de Chambéry a débuté dans cette optique.

D e s chutes de blocs ou des éboulements peuvent également présenter un intérêt. L a cinématique du mouvement étant plus rapide, l'objectif n'est pas de prévenir le mouvement , mais de se rendre compte qu'il s'est produit. Ceci peut être appliqué à la détection de masses rocheuses par un système d'alerte sur un réseau routier ou S N C F .

3.1.2. Cavités souterraines

C . Mathon énonce, par ordre de priorité, les conditions à vérifier pour une instrumentation optimale d'une cavité :

- accessibilité du site ; - activité importante sur une année (chute de bloc, de toit, écrasement des piliers) ; - communicabilité cavité/surface (alimentation et transmission) ; - instrumentation classique existante ; - accès limité aux seuls opérateurs ; - environnement peu perturbé ; - éviter les milieux trop hostiles (humidité, etc.).

Dans certains cas de non acessibilité de la cavité, on peut envisager une instrumentation en forage, mais la visibilité des phénomènes n'étant pas bonne, les corrélations avec d'autres mesures risquent de s'avérer irréalisables.

Trois champs d'investigation lui apparaissent alors :

- Gironde ; - Charente ; - Lille.



3.2. MATERIEL UTILISABLE ET BESOINS

N o u s indiquons les caractéristiques essentielles auquelles doit répondre le matériel pour une surveillance acoustique d'un site.

Pour toute étude, il est très souhaitable de réaliser des mesures avec capteurs en forage, pour plusieurs raisons :

- réduction du bruit de fond naturel. - moins de perturbations par des phénomènes de surface (promeneurs, animaux, vent,....) - meilleure proximité du phénomène sismique, donc meilleur signal. - pas de passage des ondes à travers les terrains de surface, généralement très filtrants, donc

source de perte d'information.

Ceci implique des capteurs robustes, résistants à l'eau, ou munis d'un système étanche. L'amplification peut se faire près du capteur, (mais alors le système est plus fragile) ou en haut de trou (mais possibilité de perte d'information par atténuation dans le cable).

L'arrimage du capteur peut être réalié par scellement (capteur perdu) ou système de fixation par bras extensibles.

Le nombre de capteurs peut être variable. Des études citées ci-dessus ont montré qu'avec un seul capteur (mais à grande profonfdeur: 1800m) et un traitement du signal sophistiqué il est possible de déterminer un nombre important de paramètres, dont la localisation . D'autres études employaient un nombre important de capteurs ce qui permet une localisation rapide avec des algorithmes simples (calculs et comparaision des temps d'arrivée sur les différents capteurs).

L a nécessité d'immobilisation du matériel sur de longues périodes oblige à avoir un matériel dédié. Le coût d'investissement que représente le matériel sismique tendrait plutôt à favoriser un matériel relativement léger et de compenser par un traitement exhaustif du signal. Si cette solution ne s'impose pas d'elle m ê m e pour des opérations de mise au point méthodologique, elle s'imposera pour l'établissement d'un système opérationel de routine.

Pour des études de subsurface interessant des zones superficielles, 3 ou 4 stations sismiques sont un m i n i m u m nécessaire. O n peut chiffrer à environ 200 kf le coût d'une station sismique bien équipée (1 station, 3 géophones, cables etc.). Le C E T E à chiffré à près de 500 kf le budget d'investissement qui lui à été nécessaire en 1990 pour équiper en matériel les 2 points de mesure sur La Clapière.

Les fréquences de réponse des capteur doivent être telles qu'ils puissent enregistrer des fréquences allant de 1 ou 4 hz à quelques centaines de hertz. Si les ondes P ont des fréquences proches de quelques hertz, les ondes S sont plus hautes en fréquence. La fréquence sera d'autant plus élevée que l'on sera près de l'émission sismique et dans des terrains à vitesse sismique élevée. D e la finesse de détection des ondes dépendra la finesse de calcul des temps d'arrivée et donc des localisations. Ceci implique que le pas d'échantillonage soit suffisement élevé. Il faut une fréquence d'échantillonage au moins trois fois plus élevée que les valeurs maximales de fréquences que l'on veut obtenir.



L e système de centralisation des données peut être réalisé par cable ou par télétransmission. Les liaisons par cable sont soumises à des bruits de fond (vents,...), à des risques d'accidents (coupures accidentelles - animaux- ou malveillances). La liaison par télétransmission est une alternative très employée actuellement. Elle doit être réalisée avec des systèmes professionnels commercialisés. Elle peut nécessiter des demandes légales d'autorisation d'émission . Les alimentation en énergie doivent être étudiées, soit par batteries si une maintenance régulière sur site est possible, soit par capteurs solaires si le site le permet, ce qui assure une plus grande autonomie.

L e stockage des données doit être prévu, avec des disques de grande capacité et des système de sauvegarde qui permettent de récupérer l'information sans interrompre le système d'écoute.

U n e interrogation à distance du système, par Minitel, est nécessaire et répond à deux finalités :

- la surveillance régulière et l'alerte. - la gestion et la maintenance du dispositif.

Ceci suppose une infrastructure permettant de relier le centre d'acquisition au réseau téléphonique.

Outre le matériel sismique, et bien que nous n'ayons trouvé dans la littérature aucune étude y faisant explicitement allusion, l'utilisation de capteurs dans les g a m m e s audibles basses fréquences pourrait être envisagé notamment dans le cadre de surveillance de carrières abandonnées. D a n s un premier temps un système de comptage et d'enregistrement des bruits serait à envisager, et recherche d'une corrélation avec la micro activité étudiée ( la pré-rupture pouvant s'accompagner de phénomènes audibles). U n matériel robuste doit être trouvé, ce qui n'est pas le cas général dans ce genre de matériel (micros fragiles).

Enfin un système de traitement informatique devra être défini, qui dépendra de la configuration matérielle définie. E n ce sens, il faut remarquer que beaucoup d'organisme ont déjà développé des logiciels de traitement, soit qu'ils commercialisent, soit qu'ils pourraient mettre en oeuvre dans le cadre d'une coopération. Il faut éviter dans ce domaine une tendance naturelle qui consiste à réinventer ce qui existe déjà . Des aménagements pour adapter les logiciels existant à la configuration matérielle choisie seront cependant nécessaires.

L e B R G M possède quelques stations sismiques qui peuvent être utilisées pour l'écoute acoustique. La collaboration avec des organismes équipés de ce genre de matériel doit être recherchée. D'ores et déjà, des organismes c o m m e Geostok et l'INERIS ont proposé de collaborer dans des conditions à définir.



4. CONCLUSIONS

E n laboratoire, les études en compression uniaxiales montrent que l'émission acoustique sur une roche accompagne le développement de microruptures de l'échantillon, bien avant la macrorupture de l'éprouvette. A grande échelle, ce phénomène d'antériorité de l'émission acoustique sur le déplacement mesuré de façon significative est confirmé par les différentes études dont il a été fait état sur les glissements de terrain. (France, Japon, Italie...). E n ce qui concerne les cavités, les expériences de suivi de cavités de dissolution ont montré que l'étude de microséismes permettait de suivre les zones de ruptures et de prévoir la localisation de zones de subsidences.

Les conditions de mise en oeuvre ne sont pas toujours faciles. O n recherchera des sites en situation de rupture rocheuse, source de l'émission acoustique.

U n m i n i m u m de capteurs est nécessaire pour trier le bruit de fond du signal d'origine sismique. Cependant on tendra vers un dispositif léger U n e mise en place de capteur en forage permet de s'affranchir beaucoup plus facilement du bruit de fond et accroît la sensibilité du dispositif. Il n'est pas nécessaire de multiplier outre mesure le nombre de capteurs pour des raisons de coût, de facilité de mise en oeuvre, de traitement. Par contre, c'est au niveau du traitement qu'il faudra porter l'effort, en utilisant au mieux des algorithmes de tri, de localisation, de comptage. La méthode d'étude par polarisation des ondes S, présentée par Geostock, permet à l'aide d'un seul capteur de déterminer des epicentres.

Les organismes divers rencontrés (INERIS, C E T E de Nice, Geostock, Université de Savoie) sont tous conscients qu'il faut unir les efforts pour mener de telles études, ne serait ce qu'en raison des moyens importants en matériel et en maintenance qu'elles exigent, et des complémentarités de connaissances qu'elles nécessitent pour leur mise en oeuvre, allant du choix de site au traitement, ainsi qu'à la confrontation des résultats de l'E.A. avec d'autres type de données (déplacements, extensométrie, photogrammétrie,etc.)

E n ce qui concerne les cavités souterraines, tant en bibliographie que par des contacts directs, nous avons rencontré des expériences réelles menées dans des mines, ou dans des zones d'effondrement liés à des exploitations de saumures, permettant de s'approcher des conditions expérimentales en cavités souterraines. E n carrières souterraines, nous avons trouvé très peu de publications.

Des contacts pris avec le service des carrières du Conseil Général de Gironde ont montré une sensibilisation à ce problème et donc un contexte favorable. Les organismes contactés (INERIS, G E O S T O C K , C E T E ) sont tout à fait favorables à un travail en coopération en ce domaine. Ces organismes peuvent apporter leurs connaissances en matériel et logiciels, et le B R G M sa bonne connaissance du milieu des carrières souterraines pour établir en c o m m u n un programme de travail.



BIBLIOGRAPHIE

A G O S T I N I S., D E A N D R E A S., L A U Z I S . & R A D O V A N N . - Sistemi di monitoraggio nell'area délia Val Pola (SO). Studi Trentini di Scienze Naturali, Völ.68, 1991, Acta Geológica, page. 249-302, Trente 1993.

C E R I A N I M . , FOSSATI D . , LAFFI R . & T A V E L L I M . S . - Sistemi di monitoraggio nell'area délia Val Torregio - Valmalenco (SO). Studi Trentini di Scienze Naturali, Vol.68, 1991, Acta Geológica, page. 153-194, Trente 1993.

CHICfflBU A . , JO K . , N A K A M U R A M . , G O T O T . - Acoustic emission characteristics of unsettles slopes. Journal of acoustic emission, 1989,Vol 8 N°4, pp 107-112.

FEI Y . - A basic study for predicting the disaster in rock engineering with an acoustic emission technique. - A basic study for predicting the disaster in rock engineering with an acoustic emission technique. Engineering Fracture Mechanics. Vol 45, N ° 3, pp. 387-391, 1993.

G I O R G I O C A L V A N O , M A R C E L L O M I G A N I & FABIO M O I A - Observation by means of A E / M S networks for the control of slope stability: Val Pola lanslide of July 1987. Studi Trenti di Scienze Naturali, Vol.68, 1991, Acta Geológica, pagg. 261-270, Trente 1993.

Y U J., G U O A . , F U H . - Application of A E monitoring method in predicting time of landslide occurence. Fifth Conference on Acoustic Emission / Microseismic Activity in Geology Structures and Materials. The Pennsylvania state University. June 11-13.1991.

M A I S O N S C , B A L E T T O P., F O R T I E R E . - Seismic monitoring of a Brine Production

Facility. Solution Mining Research Institute . Presented at the SMRI-Fall Meeting 1994 Hannover,

Germany.

M A I S O N S C , V A L E T T E M . , F O R T I E R E . - Use of Great depth Permanent Borehole 3-Axis Géopphones for Induced Microseismic Monitoring. Poster SPE/ ISRM 28111, E U R O C K ' 9 4 , 29-31 August 1994, Delft, The Netherlands.

M A N N U C C I G . & FOSSATI D . -"Sistemi di monitoraggio nell'area di Campo Franscia-Ciudè (Provincia di Sondrio)". Studi Trentini di Scienze Naturalli, Vol.68, 1991, Acta Geológica, pagg. 195-247, Trente 1993.

M A N S U R O V V . Investigation of the process of rock failure using A E for prédiction of dynamic events.Institute of Physics and Mechanics of Rocks . Academy of Science. Républic of Kyrghyzstan,SU. 1980.14p.

M c C A N N D . M . , F O S T E R A . - Reconnaissance geophysical methods in landslide investigations. Engineering Geology, 29 (1990) 59-78

M c G A R R A . , G R E E N R . W . E . , S P O T T I S W O O D E S . M . - Strong ground motion of mine tremors: some implications for near-source ground motion parameters.BSSA,vol 71, N°l, pp 295-319,February 1981.



N A K A J I M A I . , NEGISHI M . , UJISHIRA M . , T A N A B E T . -Application of the acoustic emission monitoring rod to landslide measurement. Fifth Conference on Acoustic Emission / Microseismic Activity in Geology Structures and Materials. The Pennsylvania state University. June 11-13.1991.

R E Y M O N D M . C . -Acoustic emission in a quarry International symposium on pénétration testing 1988,ISOPT-l,DeRuiter (ed) 1988 Balkema, Rotterdam, Vol 1, pp. 563-565.

S H A O Q U A N Z . , JIE G . - Seismological Research on the Mining Tremors.Earthquake Research

in China . Volume 9, Number 1, 1995.

SIQING Q . , Z A O D I N G L . - A damage model of acoustic emission in rock and its initial

application in seismological research. Earthquake Research in China. Volume 8, Number 4,

1994.


Documents

Etat de l'art. - InfoTerreinfoterre.brgm.fr/rapports/RR-38659-FR.pdf · déformation latérale de l'échantillon (courbe a). La zone I correspond à un accroissement de la charge,