BRGMinfoterre.brgm.fr/rapports/RR-40266-FR.pdf · Leparoux D., Bitri A., Le Jeune F., Grandjean G., (1998) - Etude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par

IIIIIIIIII| Etude de faisabilité pour la détection de

cavités souterraines par méthodes1 géophysiques dans la région de Strasbourg

D. Leparouxavec la collaboration de

A. Bitri, F. Le Jeune, G. Grandjean

septembre 1998R 40266

. R .

-8 .DEC.1998BIBLIOTHEQUE

BRGM• LINTRIMISl AU SERVICI DI LA TEUI

Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg

Mots clés : Détection de cavités, sismique, ondes de surface (de Rayleigh), micro-gravimétrie, radar géologique.

En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

Leparoux D., Bitri A., Le Jeune F., Grandjean G., (1998) - Etude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg. Rapport BRGM R 40266,46 p., 18 fig.

) BRGM, 1998, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du BRGM.

Rapport BRGM R 40266


Synthèse

Une campagne de mesures géophysiques (radar, sismique et micro-gravimétrie) a été réalisée dans la région de Strasbourg dans le cadre du projet de développement "Détection des cavités souterraines par méthodes géophysiques".

Le but étant de définir la faisabilité de chaque méthode, les mesures ont été effectuées sur trois sites contenant des cavités de tj^ologies parfaitement connues, et représentatives des problèmes de risques naturels liés aux effondrements de cavités rencontrés à Strasbourg (cavités de diamètre compris entre 1 et 3 m, situées à une profondeur allant de 3 à 5 m dans le loess surmonté d'ime chaussée de voie urbaine).

Sur les deux premiers sites, les méthodes radar, sismique et micro-gravimétrique ont été utilisées, sur le troisième, seules les méthodes radar et sismique ont été testées.

L'analyse des dormées sur chacun des sites pour les différentes méthodes a permis de définir leiir performance en matière de détection des cavités de la ville de Strasbourg.

Sur chaque site, les mesures micro-gravhnétriques et les tirs sismiques ont montré qu'une information liée à la présence des cavités était décelable. Les problèmes de bruit dans les mesures, liés aux milieux fortements urbanisés, ont permis d'orienter les recherches en cours visant l'optimisation des deux méthodes pour la détection des cavités situées dans l'espace 0-10 m.

Les mesures radar ont montré que la conductivité du loess limite l'auscultation à 1,5 mètre de profondeur, empêchant la détection des cavités de telle typologie.



Sommaire

Synthèse 3

Sommaire 5

Introduction 7

1. Principes de base de chaque méthode 9

1.1. Le radar Géologique 9

1.1.1. Principe 9 1.1.2. Paramètres d'acquisition utilisés a Strasbourg 10 1.1.3. Traitements appliqués 10

1.2. Lasismique 12

1.2.1. Principe 12 1.2.2. Paramètres d'acquisition utilisés à Strasbourg 14 1.2.3. Traitements appliqués 14

1.3. La micro-gravimétrie 16

1.3.1. Principe 16 1.3.2. Paramètres d'acquisition utilisés à Strasbourg 16 1.3.3. Traitements appliqués 17

2. Les trois sites auscultés 19

2.1. Ateliers SNCF, Bischheim 19

2.1.1. Le site 19 2.1.2. Mesures et interprétations 21

2.2. FortRapp, Reischtett 26


2.3. Brasserie Heineken, Schiltigheim 33


3. Discussion des performances de chaque méthode, limites et directions d'études 39

Conclusion 41

Bibliographie 45

Rapport BRGM R 40266 5

Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par méthodes géoptiysiques dans la région de Strasbourg

Introduction

L'étude méthodologique présentée ici porte sur la détection des cavités souterraines situées dans la région de Strasbourg. Elle s'inscrit dans le projet de développement "Détection des cavités souterraines par méthodes géophysiques" (PRD207) mené actuellement à la Direction de la Recherche du BRGM. Notre objectif est ici de déterminer les performances des méthodes géophysiques pour détecter des cavités de diamètres compris entre 1 et 3 mètres, situées dans le loess à une profondeur allant de 3 à 5 m.

Le sous-sol de la région de Strasbourg est le siège de nombreuses cavités souterraines d'origine anthropique. Certaines correspondent à des abris antiaériens construits lors de la seconde guerre mondiale ou à des galeries rayonnant autour d'un château médiéval, d'autres à d'anciennes caves à bière de brasseries. La dégradation des voûtes est liée d'une part à l'altération de la maçoimerie par l'humidité du sous-sol ou par l'infiltration d'eau due aux fuites du réseau et d'autre part au trafic routier en surface. Elle cause des effondrements et affaissements de la chaussée dans des zones passagères. Ce problème de risque naturel fait l'objet d'une étude par repérage des réseaux de galeries et par suivi de l'état des voûtes, réalisée depuis plusieurs années par le BRGM-Alsace (Rapports BRGM R39115 (1996), R39139 (1997), R39619 (1997), R39893 (1998)). L'utilisation de méthodes géophysiques non destructives peut fournir un apport notable quant à leurs localisations, actuellement déterminées par des documents d'archives pouvant s'avérer incomplets ou contradictoires.

Afin de déterminer les méthodes géophysiques les mieux adaptées à ce type de cavités, des mesures de micro-gravimétrie, de sismique et de radar ont été effectuées sur trois sites pour lesquels la typologie et l'emplacement des cavités sont parfaitement connus.

Après quelques rappels sur les principes de base de ces trois méthodes, nous détaillerons, pour chacun des trois sites, les protocoles de mesures, les traitements appliqués aux dormées, et enfin l'interprétation qui en découle. L'apport de chacune des méthodes sera ensuite discuté afin que leur utilisation soit optimale dans le cadre de la détection des cavités superficielles de la ville de Strasbourg. Des études complémentaires seront proposées afm de développer une méthodologie fiable.



1. Principes de base de chaque méthode

1.1. LE RADAR GEOLOGIQUE

1.1.1. Principe

La technique d'auscultation par radar géologique est basée sur la propagation d'ondes (puises) électromagnétiques dans le milieu. Ces ondes se réfléchissent au niveau des contrastes diélectriques, ces derniers pouvant être dus à la présence d'une cavité dans un encaissant géologique. L'antenne émettrice peut être également utilisée comme antenne réceptrice et le radar enregistre le temps aller-retour du puise propagé puis réfléchi. Pour une vitesse de propagation donnée, le temps enregistré est lié à la distance du réflecteur à l'antenne. En déplaçant le dispositif des antennes sur le sol, on acquière une information sur la géométrie des structures réfléchissantes et diffractantes du sous-sol. La figure 1 schématise ce mode d'acquisition des sections-temps radar. Le matériel de mesure comprenant l'unité centrale et l'anteime est visualisé sur la photo de la figure 2.

Gûlcric de mintj

E : Emeticur radar R : Récopieur radar

n ii

s:̂

Direction de profil

A : Réflecteur plan (zone fracturée) B : Ràdcctour ponctuel (cavité)

EnroQisIrement radar

distance de profil

- Onde réfléchie (2)

- Onde réfléchie (3) - « — Trace signal

Figure 1 : Principe d'acquisition des sections temporelles par radar géologique


IÉtude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par méthodes géophysiques dans S

la région de Strasbourg

Centraled'acquisition

Antenne 500 MHzémettrice et réceptrice

Figure 2 : Photographie du matériel radar lors des mesures à Strasbourg

10 Rapport BRGM R 40266

IIiItlI

1.1.2. Paramètres d'acquisition utilisés a StrasbourgPour chaque profil, des mesures ont été réalisées à l'aide d'antennes 500 MHz et 100 MMHz. •

Le loess étant à priori conducteur et donc absorbant, les antennes 100 MHz peuvent •permettre d'obtenir une meilleur profondeur d'investigation. Elles ont été utilisées enmode bistatique avec un écartement d'antennes de 90 cm. Le pas d'échantillonnage mspatial moyen est de dx=0,02 m , le pas d'échantillonnage temporel est de dt=0.4 ns et le |temps d'écoute de T-400 ns. Un filtre analogique passe-bande limitant le spectre de Fl=25 MHz à F2=150 MHz a été appliqué lors des mesures. M

Toutefois, les antennes 500 MHz semblent mieux adaptées à l'impédance des milieuxconducteurs et mieux appropriées aux milieux urbains car elles sont blindées et donc flsensées être aveugles aux réflecteurs aériens environnants (véhicules garés sur la ™chaussée, immeubles, palissades...)- Les mesures à 500 MHz ont été réalisées en modemonostatique avec un pas d'échantillonnage spatial moyen de dx=0,02 m , un pas Id'échantillonnage temporel de dt=0.19 ns , un temps d'écoute de T=200 ns et filtrées par ™un filtre analogique passe-bande limitant le sprectre de Fl=150 MHz à F2=750 MHz.

I1.1.3. Traitements appliqués

a) Filtrage M

Les mesures ont été traitées par le logiciel RADAR UNIX (Grandjean & Durand, 1997)utilisant des fonctions du logiciel Système Unix (Cohen, J. K. and Stockwell, Jr. J. W., _1997). Le gain appliqué à l'acquisition est systématiquement remplacé par un gain •A.G.C. identique pour toutes les traces. Pour minimiser le bruit et les effets derésonance dans les câbles et l'antenne, les signaux ont été filtrés par un filtre vertical mpasse-bande suivi d'un filtre horizontal (filtre en pendage appliqué dans le domaine Jf

ii


F/K). L'importance de la résonance rencontrée à 100 MHz mais aussi à 500 MHz, est due à la déficience du couplage des antennes au type de milieu ausculté.

b) Détermination de la profondeur d'investigation

La profondeur d'investigation correspond à la profondeur maximale que le système radar ausculte. Elle est calculée à partir du temps maximum d'em-egistrement dans la dynamique du système de mesures et de la vitesse de propagation. Le temps limite d'écoute est repéré sur la courbe d'atténuation moyenne. La vitesse est estimée à partir des hyperboles de diffiaction.

* Mesure de l'atténuation moyenne :

L'atténuation est calculée à partir du calcul de l'amplitude instantanée normalisée et moyermée sur toute les traces du profil avant l'application des filtres et gains. L'atténuation prise en compte est celle calculée en dB/ns avant que le signal enregistré ait atteint la dynamique du matériel. On définit également à partir de cette courbe la valeur du temps d'enregistrement maximum dans la dynamique du système de mesures.

*Mesure de la vitesse moyenne

La vitesse est estimée à partir de la pente des hyperboles de diffraction et de leur focalisation par migration.

c) Evaluation de la permittivité effective complexe du milieu effectif

En plus de la profondeur d'investigation, l'estimation de l'atténuation moyerme et de la vitesse de propagation permet d'évaluer les caractéristiques diélectriques du milieu. En effet, la propagation des ondes électromagnétiques est contrôlée par la conductivité électrique, la permittivité diélectrique et la perméabilité magnétique du milieu. Pour le milieu ausculté, en l'occurrence le loess, et le remblais de chaussée, on peut considérer que la perméabilité magnétique est identique à celle du vide. On ne cormaît pas à priori les deux autres paramètres, mais on peut en estimer leur ordre de grandeur à partir des mesures.

Le calcul de cette grandeur prend en compte à la fois les propriétés intrinsèques du milieu (conductivité et permittivité) mais aussi ses propriétés diffusantes puisqu'il est constitué en surface de remblais qui sont des milieux très hétérogènes. Les diffractions qu'ils génèrent peuvent jouer un rôle sur l'atténuation et la vitesse de propagation du signal.

Pour ces différentes raisons, le paramètre calculé est une permittivité effective qui ne différencie donc pas la conductivité de la permittivité. Par ailleurs, il ne prend en compte aucune variabilité spatiale. Il s'agit donc d'un paramètre qui caractérise un milieu effectif correspondant au milieu étudié. C'est le paramètre qui caractériserait un milieu homogène, de même réponse au signal émis, en termes de vitesse de propagation et d'atténuation. Il est intéressant de l'évaluer pour l'étude de la faisabilité des mesures



puisqu'il permet de quantifier les caractéristiques effectives du sous-sol dans la région de Strasbourg.

1.2LASISMIQUE

1.2.1 Principe

La méthode sismique consiste à provoquer des ébranlements dans le sous-sol et à observer en surface les ondes transmises vers les récepteurs après propagation dans le sol, après d'éventuelles réflexions sur les couches géologiques, ou des réfractions le long de certaines interfaces.

L'ébranlement produit par la chute d'une masse sur le sol génère différents types d'ondes : les ondes de volume dans lesquelles on peut distinguer les ondes P de compression et les ondes S de cisaillement; les ondes de surface comprenant les ondes de Love et les ondes de Rayleigh. Les ondes de Rayleigh (M. Lavergne, 1989; Bitri A., Le Bégat S., Baltassat J. M., 1997) se forment à la limite air/sol (surface libre), elles sont beaucoup plus énergétiques que les ondes de volume, et se propagent horizontalement, dans les premiers mètres seulement, à ime profondeur équivalant environ à un tiers de la longueur d'onde. Elles ont une composante verticale et une composante horizontale longitudinale.

Ce sont les ondes de Rayleigh qui nous intéressent ici pour leur importance énergétique et la profondeur d'investigation superficielle qui leur est associée. Des travaux de recherche pour des problèmes de génie civils relatés dans la littérature (Al-Shayea N.A. 1994; Haupt Wolfgang A. 1977) ainsi que des tests synthétiques au BRGM ont pu mettre en évidence leur importance dans les enregisrements et ont permis d'établir les phénomènes de diffractions et réflexions des ondes de surface en présence d'une cavité. Quand le front d'onde arrive au niveau de la cavité, la partie des ondes de surface enfrant en contact avec la cavité et sa maçonnerie, est convertie en ondes de volume diffractées, ces dernières étant à nouveau converties en ondes de Rayleigh lorsqu'elles atteignent la surface. La conversion des ondes de surfaces en ondes de volume à l'origine de nouvelles ondes de surface (qu'on nommera ici indifféremment "diffractées" ou "réfléchies") ont été mises en évidence à partir de visualisation de la propagation des fronts d'ondes sur des tests synthétiques. Les récepteurs disposés avant la cavité vont donc recevoir ces ondes diffractées après la première arrivée de l'onde de surface alors que les récepteurs situés après la cavité enregistreront les interférences de l'onde de surface directe et de l'onde diffractée. Cette différence d'enregisfrement suivant la position des géophones permet de détecter la présence de la cavité et de discriminer sa position le long du profil de mesures, la figure 3 monfre un schéma de principe de l'acquisition ainsi que les résultats synthétiques. Le matériel de mesure comprend la centrale d'acquisition et les géophones qui enregistrent la composante verticale des ondes sismiques (figure 4).


IIIIIIIIIIIIIIIIIIIII

Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par méthodes géophysiques dansla région de Strasbourg

Source

* I l l i i Igéophones 1 8 m

-I—LJ M I I I I I I J I

i

Vp=900 m/sVs=410 m/sd=i900kg/m3

Maçonnerie ;Vp=4000 m/sVs=2500 m/sd=2200 kg/m3

galerie

Onde de surface généréepar l'onde de volumeau contact de la cavité

dOnde de surfacediffractée parla cavité

0 . 3 -

Temps (s)

posit ion des geophones(n)15 20

L

i{ i

intesrsectiondes lignes dephases

Onde de volumetransmise

Onde de surfacetransmise

< S

-

- \

s i

\ !

•i à s

.—* —

dut gèophtmei (m)

Figure 3: Schéma du dispositif de mesuresa : Schéma du milieu modélisé

b : Traces synthétiques correspondant à des mesures dans un milieu homogènecontenant une cavité avec un parement maçonné. Les récepteurs sont espacés d'J mavec une distance de la source au premier récepteur de 26 m. La cavité est située à

une profondeur de 6 mc : Amplitude maximale de l'onde de surface directe calculée à partir des synthétiques


IÉtude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par méthodes géophysiques dans


Centrale d'acquisition _

II

Géophones ^Ê

II

Figure 4 : Photographie du dispositif d'acquisition sismique lors de mesures à •Reischtett

1,2.2.Paramètres d'acquisition utilisés à Strasbourg |

La chute de masse est utilisée ici comme source sismique impulsionnelle de fréquence mcentrale égale à environ 30 Hz dans le loess. •

Sur les différents sites étudiés, les 24 géophones reliés aux 24 traces de la centraled'acquisition sont disposés le long du profil de mesures de part et d'autre de la position ide la cavité avec un espacement régulier de 1 m. Les enregistrements sont effectués avectrois positions de source, respectivement situées à 1 m, 5 m et 10 m du premier Srécepteur. •

Le temps d'écoute est réglé à 512 ms avec un pas d'échantillonnage temporel de 0,5 ms •sur 1024 points et une moyenne sur dix tirs a permis d'optimiser le rapport signal sur *bruit.

1,2.3. Traitements appliqués

Pour l'interprétation des données, un filtre passe-bande compris entre 5 Hz et 90 Hz a Iété appliqué pour éliminer le bruit haute fréquence restant.

La vitesse de propagation des ondes sismiques est évaluée par la pente des arrivées gdirectes sur les sismogrammes. La détermination des vitesses des différentes arrivéespermet de distinguer les différents types d'ondes. m

L'étude de données synthétiques préalables à l'analyse des mesures a permis d'envisagerune approche spécifique pour l'analyse des données. •


i


La figure 3-b montre les traces synthétiques dans le cas idéal d'un milieu homogène contenant une cavité maçonnée. Les vitesses de propagation utilisées sont indiquées sur le schéma du milieu (figure3-a). Quatre événements sont visibles sur l'ensemble des traces : deux arrivées a et è de pentes positives indiquant des vitesses de propagation respectives de 900 m/s et 400 m/s ; deux arrivées c et J de pentes négatives montrant une vitesse identique de 400 m/s. Les échos c et d interfèrent respectivement avec les arrivées aetb.

D'après les vitesses déterminées et l'orientation des échos, on peut en déduire que l'arrivée a correspond à l'arrivée directe des ondes P depuis la sovirce jusqu'aux géophones et l'arrivée b correspond à l'arrivée directe des ondes de Rayleigh. Les deux autres échos correspondent à des ondes de volume générées par la cavité et converties en ondes de surface. Ils sont produits lorsque l'onde de volume arrive sur la cavité (pour l'écho c) et lorsque l'onde de surface arrive sur la cavité (pour l'écho d).

On s'intéresse aux échos b et d pour leur plus forte amplitude. La présence de l'écho d permet de conclure sur la présence d'un réflecteur dans le proche sous-sol.

L'accès à l'information sur la profondeur n'est pas directe sur les mesures temporelles puisque les ondes de surface se propagent uniquement horizontalement; les temps d'arrivée du train d'onde n'informent donc pas sur la profondeur.

La position latérale de la cavité le long du profil est indiquée par la position du géophone qui enregistre l'interférence entre l'écho b et l'écho d. La position de cette interférence correspond à l'intersection de la première phase de l'écho b avec la première phase de l'écho d (lignes pointillées sur le graphe). Dans le cas de l'image de synthèse, l'intersection indique une cavité à 18 mètres ce qui correspond effectivement à la position de la paroi droite de la cavité.

Cependant, la détermination des lignes de phases peut être difficile sur les mesures et cette donnée géométrique peut être complétée par l'information contenue dans l'amplitude de l'arrivée directe b le long du dispositif. Elle est visualisée par l'amplitude instantanée maximale de chaque trace. Celle-ci (figure 3-c) montre des variations brutales dues à des interférences, notamment lorsque l'onde diffractée par la cavité interfère avec l'onde directe. La position de la cavité le long du profil est indiquée sur ce graphe par une chute brutale des amplitudes se produisant au niveau du récepteur situé à 18 mètres.

Des tests synthétiques réalisés avec et sans la présence d'une maçonnerie entourant la cavité ont démontré que le signal diffracté est d'autant plus fort que le contraste de vitesse entre la maçonnerie et le milieu est élevé. La présence de la maçonnerie renforce donc le pouvoir de détection de la cavité.

On peut donc, dans vin cas idéal, à partir des données sismiques temporelles, détecter la présence d'une hétérogénéité dans la subsurface. On peut également définir sa position


TÉtude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par méthodes géophysiques dans


ilatérale le long du profil à partir de la première phase de chaque écho ou bien de façon mplus automatique, à partir des variations de l'amplitude maximale de l'onde de surface. I

1.3. LA MICRO-GRAVIMETRIE |

1.3.1. Principe

La gravimétrie étudie les variations de l'accélération de la pesanteur à la surface de la mterre. Les variations observées sont traduites en termes géologiques (structures ouvariations latérales de densité dans le sous-sol). fl

La valeur de l'accélération de la pesanteur g est fonction de la distribution des massesdans le sous-sol. Elle est donc dépendante du volume et de la densité des corps présents •dans le sous-sol. *

Une cavité est équivalente à un défaut de masse et créera une anomalie négative du Mchamp de pesanteur, le matériel de mesure est montré sur la photographie de lafigure 5 - a. —

iiiii

Figure 5-a : Photographie du dispositif d'acquisition gravimétrique lors de mesures à •Reischtett

1.3.2. Paramètres d'acquisition utilisés à Strasbourg I

Les mesures gravi métrique s ont été réalisées le long des profils radar et sismiques, avec mun pas d'échantillonnage spatial de 10 mètres, resserré à 2,5 m aux environs des galeries |connues. La précision des mesures, évaluée à partir de 11 points doubles, est de 5/jgal.

Pour chaque série de mesures, une base topographique a été réalisée. m

16 Rapport BRGM R 40266 |

i


1.3.3. Traitements appliqués

Les valeurs mesurées dépendent de la latitude, de l'élévation, de la topographie des terrains environnants, de l'attraction luni-solaire et de la variation de la densité dans le sous-sol. Des corrections doivent donc être appliquées pour que les données soient essentiellement représentatives de la variation de la densité du sous-sol à l'échelle du profil.

La correction de latitude a été appliquée sur le profil N-S à raison de 0,S3^gal/m. Une correction luni-solaire et une correction de la dérive de l'appareil par retour à la base sont appliquées, soit respectivement de 0,03S^gal/h et 0,036/igal/h pour les deux sites décrits ultérieurement.

Puisqu'aucun relief topographique important n'existe dans un rayon de 10 m autour des mesures et le long des profils réalisés, aucune correction de terrain n'a été effectuée. Enfin, l'anomalie régionale a été évaluée par ajustement de polynômes d'ordre 3 et retirée des mesures.

On obtient ainsi, après ces différentes corrections, une variation relative de l'anomalie résiduelle, caractéristique des variations géologiques du proche sous-sol.

La figure 5-b montre le calcul numérique (2,5D) de l'anomalie résiduelle générée par une cavité de 2m x 2m x 100m située à 5 m de profondeur. Le contraste de densité relatif à la cavité vide est fixé à -2.

Le résultat de cette simulation numérique montre qu'on peut s'attendre, dans le cas des mesures de Strasbourg, à une anomalie d'environ 20 |agal d'amplitude et de longueur d'onde de 20 m.

Figure 5-b : Résultats numérique (2,5 D) de l'anomalie gravimétrique générée par une cavité de 2m x 2m x 100m située à5 m de profondeur en milieu homogène et de

contraste de densité -2.




2. Les trois sites auscultés

Les trois sites reportés ci-dessous contiennent des cavités de géométries connues dont letoit est à une profondeur comprise entre 3 m et 5 m dans un encaissant de loesssurmonté en surface d'une chaussée. Le loess correspond à la terrasse couvrant toute larégion nord et ouest de Strasbourg et se situant au dessus de la nappe phréatique. Lescavités sont donc hors d'eau.

Les deux premiers sites ont fait l'objet de mesures radar, sismiques et gravimétriques.Sur le troisième site, seules les méthodes radar et sismiques ont été appliquées, l'étenduedes profils n'étant pas suffisante pour les mesures gravimétriques.

Pour chaque site décrit, les mesures traitées pour chacune des méthodes géophysiquestestées sont présentées puis interprétées.

2.1. ATELIERS SNCF, BISCHHEIM

2.1.1. Le site

COMMUNAUTE URBAINE DE STRASBOURG

SERVICE DE LWORWATION GEOGRAPHIQUE

IJMliiMPosition de la source et du dispositif d'enregistrement sismique

Profil de mesures radar

Profil de mesures micro-gravimétriques

Galeries maçonnées

Figure 6 : Plan cadastral du premier site de mesures - Ateliers SNCF, Bischheim


Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par méthodes géoptiysiques dans la région de Strasbourg

Sous ce site situé sur le parking des ateliers SNCF de la ville de Bischheim, les galeries correspondent à des abris antiaérien construits pendant la dernière guerre. Plusieurs ensembles ont été creusés dans le quartier sans être achevés. Ils ne sont donc pas reliés entre eux. La figure 6 indique la position d'une partie des réseaux sur le plan cadastral et les profils de mesures effectués par radar, tirs sismiques et gravimétrie, la figure 7 schématise la géométrie de la galerie : le toit est situé entre trois et cinq mètres de profondeur; la maçonnerie de la voûte est en parpaings de béton.

Chaussée

un -m n

t i

E co

Loess

J _

Parois en béton ; (pièces préfabriquées)

(25 cm)

Débris

Radier en béton armé (20cm)

Figure 7 : Schéma d'une section de la galerie du premier site de mesures SNCF, Bischheim

•Ateliers


Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par méttiodes géophysiques dans la région de Strasbourg

2.1.2. Mesures et interprétations

Les figures 8, 9, 10 correspondent aux mesures réalisées par les trois méthodes mises en correspondances avec le schéma du sous-sol ausculté sur ce site.

La figure 8 visualise les mesures radar réalisées à 500 MHz, amplifiées et filtrées et leur courbe d'atténuation moyenne.

La figure 9 montre les enregistrements temporels sismiques et l'atténuation maximale de l'onde de surface directe.

Les données de l'anomalie gravimétrique résiduelle sont présentées figure 10.

Sud

Profil de mesures

Nora

•

Û galerie

temps (ns)

10.

30.

"îo c

E

Atténuation (dB)

î T t "f ' .-1 1 1 - - - ^

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«rCtj

1

0 0

Figure 8 : Mesures radar acquises sur le premier site - Ateliers SNCF, Bischheim a- Coupe temporelle à 500 MHz amplifiée et filtrée

b- Atténuation moyenne



a ; .Onde de volumetransmise

Position des géophones (m)

10 15 20

Onde de surfaceréfléchie par la cavité ci

mmb:

Onde de volumeréfractée par unecouche de chaussée

intersectiondes lignesde phases

onde de Rayleightransmise

Nord géophones SudSource I I i i l I Mil

1 mètregalerie

22

Figure 9 : Mesures sismiques acquises sur le premier site - Ateliers SNCF,Bischheim

a- Traces temporelles avec un offset de 1mb-Amplitude maximale de l'onde de surface directe


liiiIliIiIIIIIitIiIII



10 20 30 40 50- a -

60 70 80 90 100Distance (m)

20

10 - f - - -

Figure 10 : Mesures acquise sur le premier site - Ateliers SNCF, Bischheima-Anomalie de Bouguer

b - anomalie gravimétrique résiduelle après retrait de la régionale

a) Auscultation par Radar Géologique

Sur la section radar (figure 8-a), les échos repérés à 10 ns et 18 ns sont antiphasés etcorrespondent aux différentes couches les plus importantes du remblai de chaussée.Leur continuité est interrompue par la réalisation de tranchées remblayées différemment.

La courbe d'atténuation (fig 8-b) montre une dynamique du système de 50 dB quiprouve une mauvaise adaptation des antennes au milieu. En effet, celle-ci peut atteindre60 dB dans d'autres terrains. Dans le présent contexte, la dynamique maximale estatteinte pour un temps d'enregistrement de 30 ns. Par ailleurs, la vitesse de propagationest estimée entre 0,07 m/ns et 0,09 m/ns suivant les zones du profil. On calcule donc uneprofondeur d'investigation comprise entre 1,05 m et 1,35 m. Cette profondeur estnettement inférieure au toit de la cavité qui ne peut donc pas être détecté. A partir de



cette atténuation et de ces vitesses de propagation, on trouve une permittivité effective équivalente comprise entre 18+2,23i et ll+l,35i. Ces valeurs correspondraient à une conductivité de 0,037S/m à 0,061 S/m, donc située dans la gamme de conductivité des argiles.

On peut mettre en correspondance les observations faites en surface lors des mesures avec des événements sur l'image radar. Par exemple, l'écho important situé de 59 m à 63 m sur le profil et les deux hyperboles qui le succèdent sont liées à l'existence d'égouts dont les bouches ont été repérées en surface. De même, les ancieimes tranchées et autres travaux visibles par une variation du revêtement de chaussées provoquent une signature radar particulière soit parce qu'ils correspondent à la mise en place d'objet tels que des tuyauteries, soit parce qu'ils correspondent à un type de remblais différents de celui d'origine. Certains objets, comme le point diffractant situé à 37 m le long du profil, n'ont pas pu être repérés en surface et ont probablement été mis en place lors de la construction de la chaussée. Ils faut noter que tous ces objets sont superficiels.

b) Auscultation par ondes sismiques

La coupe-temps des enregistrements sismiques (figure 9-a) montre différents échos :

- Un premier écho correspondant à la propagation directe des ondes de volume. Il est formé par deux pentes successives (a et b). La deuxième pente indique une vitesse de propagation de 500 m/s.

- Un deuxième écho (c) de même orientation mais de pente plus élevée correspond à l'arrivée directe de l'onde de surface avec une vitesse de propagation de 150 m/s.

- Enfin, un écho (d) d'orientation opposée est formé par les ondes de surface car la pente indique également une vitesse de 150m/s.

Le graphe de l'amplitude maximale (figure 9-b) indique une décroissance générale de l'amplitude affectée par quatre chutes brutales pour les positions 3m, 7m, 13m et 17m.

Sur la coupe-temps, les deux pentes successives (a et b) sont dues à la réfraction des ondes P par une couche superficielle; la vitesse de 500 m/s correspondrait alors au loess. A partir des pentes a et b et l'intercept à 22 ms, on évalue l'interface de réfraction à 2,5 m de profondeur. Cette interface est trop profonde pour l'épaisseur d'une chaussée mais peut correspondre à une limite entre l'encaissant et une zone superficielle de remblais. On remarque que les temps d'arrivée des ondes P sont proches de l'arrivée des ondes de surface et rendent difficile la lisibilité des mesures. L'écho diffracté (d) est de très faible amplitude et visible sur peu de traces (géophones 10 à 15). Il est difficile à repérer à cause des multiples échos qui interfèrent au niveau des dix premières traces. L'intersection de la première phase des échos (c) et (d) est située au géophone 23. Celle-ci est assez difficile à déterminer à cause de la durée des puises et des différentes phases qu'ils contiennent.



Sur le graphe d'amplitude maximale, si on cherche les interférences qui peuvent être à l'origine des quatre variations brutales, on remarque qu'à 7 et 13 m sur les traces temporelles, les ondes de volumes réfractées interfèrent avec l'onde de surface directe aux points respectifs N et O. A 3 m, il semble également se produire des interférences avec l'onde directe au point M mais elles sont plus difficiles à mettre en évidence. A 17 m, la chute d'amplitude peut être due à l'interférence entre les puises c et J en Q. Toutefois, une variation latérale de l'atténuation du milieu de propagation peut également être à l'origine de ce phénomène.

La cavité se situe à 17 m sur le profil. La détermination de sa position le long du profil par l'intersection des phases ne correspond pas à sa position réelle alors que sur le graphe d'amplitude maximale, une des chutes brutales se produit à la position de la cavité.

A partir de ces mesures et d'après l'analyse des traces temporelles comme de l'amplitude maximale, on peut conclure que :

- la cavité a généré une diffraction des ondes de surface même si l'amplitude de l'écho sur les traces temporelles est faible et difficile à détecter. Pour mieux séparer les différents échos et mieux mettre en évidence les caractéristiques de l'onde de surface, il serait bénéfique d'effectuer un tir à offset plus grand et de confronter l'information avec un tir opposé (source au sud),

- Un tir ne permet pas de définir la position de l'objet à cause des effets 3D. Pour lever l'ambiguité du 3D, il serait utile de réaliser des tirs avec des dispositifs parallèles et perpendiculaires et de coupler les mesures avec un autre type d'information (cormaissance à priori du type de cavité recherché (2D ou ID), mesures par d'autres méthodes géophysiques).

- La technique de l'amplitude maximale donne un résultat plus précis que celle de l'intersection des phases et devrait être plus déterminante avec un tir à offset plus grand pour lequel les ondes de volumes n'interféreraient pas avec l'écho direct de l'onde de surface.

- Les mesures ne permettent pas de définir la nature de l'objet diffractant. Il peut s'agir de blocs rocheux comme de cavités. Cette question nécessite le couplage avec des mesures gravimétriques.

c) Auscultation par micro-gravimétrie

L'anomalie résiduelle d'ordre 3 (figure 10-b) fait apparaîfre deux anomalies A et B de faibles amplitudes (20 à 22,5 /dgal) de longueur d'onde de 20 mèfres cenfrées sur les points situés à 30 m et 70 m.



Les mesures sont peu bruitées et les anomalies sont nettement discernables enamplitudes.

L'amplitude et la longueur d'onde de ces anomalies correspondent à celles attenduespour de telles cavités (voir le résultat numérique, figure 5-b)

L'anomalie A est définie sur cinq points, elle correspond sans ambiguité au défautde masse généré par la galerie située à son aplomb.

L'anomalie B n'est définie que sur un point à cause de l'espacement des mesures.Bien que l'amplitude et la longueur d'onde coincident avec la réponse dune cavité demême type, le resserrement des mesures autour de cette position serait nécessaire pourconclure sur la signification de cette anomalie et sur l'éventuelle présence de cavité.

2.2. FORT RAPP, REISCHTETT

2.2.1. Le site

•CMMUNAl/Tt U t tAM Et STBASBOJB5j ' * ! ' ' ' • V '•-"•'•'-_ . _ . — r „ 1 r, \_ - j ,

* •—• Position de la source et du dispositif d'enregistrement sismique

-"-•—•$?• Profil de mesures radar

Profil de mesures micro-g ravi métriques

Galeries maçonnées

Figure 11 : Plan du deuxième site de mesures - FortRapp, Reischtett


iiIiilIIiIiIiiIIIiiIt

Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par méttiodes géophysiques dans la région de Strasbourg

Le deuxième site de mesures se situe sur la commune de Reischtett, au nord de Strasbourg. Les cavités sont formées par des galeries de contre-mines qui rayoïment à partir de l'enceinte de la forteresse de Fort Rapp. La figure 11 montre le plan du réseau souterrain ainsi que la position des profils réalisés sur la chaussée.

Les galeries sont creusées dans le loess à environ 4 m de profondeur et leurs voûtes sont construites en briques, la figure 12 présente leur géométrie.

E co

Figure 12 - Schéma d'une section de la galerie du deuxième site de mesures - Fort Rapp, Reischtett


Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par métliodes géophysiques dans la région de Strasbourg


Pour ce site, les mesxires de radar géologique ainsi que la courbe d'atténuation moyerme correspondante, les données de sismique et micro-gravimétrie sont visualisées figures 13, 14, 15. Des schémas indiquant la position des cavités y figurent également.

Ouest

JKSSUiêiSSSSKSS-Est

— •

Temps (ns;

Figure 13 : Mesures radar acquises sur le deuxième site - Fort Rapp, Reischtett a- Coupe temporelle à 500 MHz amplifiée et filtrée

b- Atténuation moyenne





10 15 20

0 . 0 5 -

0 . 1 -

0 , 1 5 -

Onde de surface o.2_réfléchie par la cavité

intersection, des lignes

/ de phases

Onde de volumeréfractée par unecouche de chaussée

onde de surfacetransmise

V

,x

Est* -Source

1 mètre

i • : MOuest

géophones

r\

gâterie

Figure 14 : Mesures sismiques acquises sur le deuxième site - Fort Rappf Reischtetta- Traces temporelles avec un offset de 10 m

b-Amplitude maximale de l'onde de surface directec- Schéma du site de mesures



J I I l

+4^W

Anomalie Régionale d'ordre 3

100

90

80

70

60

50

40

30

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110- a- ifance (m)

10

- c -

Figure 15 : Mesures gravimétriques acquises sur le deuxième site - FortRapp,Reischtett

a - Anomalie de Bouguerb - anomalie gravimétrique résiduelle après retrait de la régionale

c- Schéma du site de mesures

a) Auscultation par radar géologique

Une fois filtrée, La section radar (figure 13-a) ne montre plus tous les échos multiplesvisibles sur le site précédent. Le couplage d'antenne semble mieux adapté pour ce siteque pour le précédent.

Cependant, trois hyperboles apparaissent après 35 ns. La migration des mesures avecune vitesse équivalente à celle de la vitesse de la lumière dans le vide focaliseparfaitement ces hyperboles et montre ainsi qu'il s'agit d'échos aériens. Malgré leblindage des antennes, il se produit donc une perte du rayonnement vers le haut.


iiiiiiiiiiiiiiiiiiiii


Par ailleurs, on trouve une vitesse de propagation dans le milieu de 0,09 m/ns L'atténuation sur la figure 13-b indique une dynamique de 55 dB et un temps d'écoute maximum de 35 ns. On évalue donc une atténuation dans le milieu de 17,5 dB/m soit 2Np/m pour une fréquence de propagation de 500 MHz et une profondeur d'investigation de 1,6 m. A partir de cette atténuation et de la vitesse de propagation, on évalue la permittivité effective du milieu à K=l l+0,035i. Pour un milieu de permittivité imaginaire nulle, la conductivité serait de 0,035 S/m. Cette permittivité effective ne permet donc pas de détecter à les galeries, et malgré la résonance minime par rapport au premier site, les caractéristiques du milieu restent dans le même ordre de grandeur.


La coupe temporelle (figure 14-a) visualise des échos directs et réfléchis de la même façon que la précédente :

- Une arrivée directe (a) des ondes P réfractées dont la pente indique une vitesse de 650 m/s dans le loess

- Une arrivée directe (b) des ondes de Rayleigh se propageant avec une vitesse de 180 m/s.

- L'écho réfléchi de pente opposée à l'arrivée directe (c)

Le graphe des amplitudes maximales (figure 14-b) montre deux anomalies (à 12 m et 16 m) superposées à la décroissance générale.

Comme sur le site précédent, les ondes de volumes sont réfractées par les couches de la chaussée et sur les traces précédant le géophone situé à 8 m, les ondes P se dissocient mal des ondes de Rayleigh. L'echo (c) est nettement visible sur la coupe-temps. Les lignes de phases des échos è et c sont difficiles à déterminer et leur intersection se situe entre 15 et 18 mètres le long du profil.

Les anomalies observées sur le graphe des amplitudes maximales peuvent être dues à des interférences entre différents échos et l'onde de surface en M et en N (figure 14-a). Cependant, il est difficile de les différencier.

On sait que la cavité est située à 16 mètres. La position de la deuxième anomalie d'amplitude indiquerait l'emplacement de la cavité.

L'analyse des mesures sur ce deuxième site montre donc que :

- L'écho diffracté par la cavité est facilement détectable sur la coupe temporelle.

- L'offset plus important (10 mètres) permet de mieux distinguer le train d'ondes de Rayleigh direct.

Rapport BRGMR 40266 31


- Pour le positionnement de la cavité le long du profil, l'intersection des phases indique une position difficile à préciser. Cependant, l'interférence des ondes de volumes réfractées avec l'onde de Rayleigh directe rend difficile l'interprétation du graphe d'amplitude. L'ambiguité pourait être levée avec un tir opposé (source à l'ouest). Ce deuxième tir permettrait de séparer les deux interférences situées en M et N.

- En ce qui concerne la nature de l'objet diffi-actant et les effets 3D, les problèmes du site précédent restent posés et un couplage avec des mesures gravimétriques permettrait de lever certaines indéterminations.

c) Auscultation par micro-gravimétrie

Les données gravimétriques de l'anomalie résiduelle (figure 15-b) montrent de nombreuses oscillations de 5 m de longueur d'onde.

Centrée sur le point de mesure 25, on observe une anomalie négative (A) de Sjugal d'amplitude et de longueur d'onde de 10 m.

Une anomalie (B) de Sjugal d'amplitude et de longueur d'onde égale à 20 m est mesvurée autour du point de mesure 80.

Le site est très urbanisé et les oscillations de 5 m de longueur d'ondes peuvent être attribuées à du bruit.

De plus, l'amplitude et la longueur d'onde de l'anomalie A ne correspondent pas à celles attendues pour une cavité de telle typologie. Peut être la galerie est-elle en partie éboulée et comblée au niveau du profil. La cavité serait alors plus petite et moins profonde et pourrait générer une anomalie de ce type.

La longueur d'onde de l'anomalie B correspond effectivement au type de cavité existant sous ce profil. Cependant, elle n'est pas centrée sur la position de la galerie et possède une amplitude plus faible que celle attendue. L'analyse de ces mesures, et leur comparaison avec les modèles numériques, tendraient à proposer deux cavités proches et superficielles.

Il serait utile de vérifier si effectivement les galeries sont plus superficielles et de plus petites dimensions à ce niveau du site ou si la trop forte urbanisation du site constitue une limite à la méthode pour la détection des cavités de la typologie des galeries de Fort Rapp. Un autre profil de mesures parallèle pourrait permettre de filtrer le bruit non corrélé entre les deux profils.




2.3. BRASSERIE HEINEKEN, SCH1LTIGHEIM

2.3.1. Le site

Ce troisième site correspond à l'emplacement d'anciennes caves à bière, actuellementsous un parking de la brasserie Heineken à Schiltigheim. Le plan des couloirs et dessalles souterraines ainsi que les profils de mesures réalisés sont montrés sur la figure 16.Le toit de ces cavités souterraines se trouve à environ trois mètres de la surface.

Sur ce site, des mesures radar et des mesures sismiques ont été effectuées. Elles sontdécrites et interprétées ici. Un tel site ne convient pas à priori aux mesuresgravimétriques car il ne permet pas de prolonger suffisamment les mesures vers le sudde façon à identifier correctement la tendance régionale.

• — • Position de la source et du dispositif d'enregistrement sismique„ — — ^ Profils a,b,c de mesures radar

VS/////BA Maçonnerie délimitant les anciennes caves à bière

Figure 16 : Plan du troisième site de mesures - Brasserie Heineken, Schiltigheim




Les figvires 17 et 18 visualisent les mesiires acquises par radar et sismique.

Sud Profil de mesures Nord

- — > •

Série de galeries

Û ÛÛ Egout Atténuation (dB)

1 -f f ' f •!• f

. ^

P ' '

l^ g' ^ m

1

ic 1 1

$ 1 1

•f^ -j-f-

i i i i

I ;

V

Atténuation (dB)

T T T î f i .

^-•i—f-]-f--f-

temps (ns)

Figure 17 : Mesures radar acquises sur le troisième site de mesures - Brasserie Heineken, Schiltigheim

a- Coupes temporelles à 500 MHz amplifiées et filtrées des profils a,b,c b-Atténuations moyennes des profils a,b,c





0.05-

0 . 1 -

c : -^Onde de surfaceréfléchie par la cavité

3. 0.15-(0CL

intersectiondeslignes dephases

a :Onde de volumeréfractée par unecouche de chaussée

b:onde de surfacetransmise

Q. s*"

< & I •••'•

\

Position des géophones

Nord

*Source

I I I Ul I I I ISud

géophones

1 mètre

Série de galeries

Figure 18 ; Mesures sismiques acquises sur le troisième site de mesures - BrasserieHeineken, Schiltigheim

a- Traces temporelles avec un offset de 5 mb-Amplitude maximale de l'onde de surface directe

c- Schéma du site de mesures



a) Auscultation par radar géologique

Sur les profils radar a,b,c de même orientation (figure 17-a), des échos aériens apparaissent en fins de sections. Par ailleurs, d'un profil à l'autre, les structures 2d de la chaussée sont visibles. Ici encore, l'atténuation est forte pmsqu'on mesure une dynamique de 60 dB pour un temps maximum d'écoute de 40 ns (figure 17-b). L'atténuation est évaluée à 19 dB/m soit 2,2 Np/m avec une vitesse de 0,08m/s. La permittivité complexe équivalente est de 14+l,54i, la conductivité d'un milieu équivalent sans permittivité imaginaire est de 0,043 S/m à 500 MHz.


Le milieu ausculté sur ce troisième site présente une série de galeries avec des voûtes.

L'observation de la coupe-temps (figure 18-a) montre :

- Une arrivée des ondes P (a) avec une pente indiquant une vitesse de 500 m/s. - Une arrivée directe des ondes de surface (b) avec une vitesse de 200 m/s. - Un écho diffracté (c) de pente opposée et de même vitesse que l'écho b. - Quelques échos diffractés peu visibles (d)

Le graphe des amplitudes maximales montre clairement la décroissance générale des amplitudes des ondes de surface affectées de quatre variations brusques à 6, 10, 15 et 20 mètres.

Sur la coupe-temps, au point M, l'arrivée à 0,05 s peut être due à la réfraction des ondes P mais aussi à leur diffraction sur un objet car il semble s'amorcer une hyperbole.

L'écho diffracté (c) est d'amplitude suffisamment importante pour être détecté. Mais les échos diffractés suivants, tels que le (d), sont frès faibles et difficiles à discerner. L'objet générant l'écho c serait situé à 11 mètres en considérant l'intersection des phases. D'apès le graphe d'amplitude, les anomalies seraient dues aux interférences respectives aux. points N,0,Q,R sur la coupe temps. L'anomalie située à 10 mètres indiquerait alors la position de la première cavité, les autres seraient relatives à d'autres interférences.

L'analyse des mesures sur ce demier site permet de conclure que :

- L'écho diffracté par la cavité est d'amplitude importante et nettement discernable sur la coupe-temps. L'offset de 5 mètres entre la source et le récepteur a permis ici à l'énergie arrivant sur la cavité d'êfre suffisamment importante. Cependant, cet écho se situe dans une zone où les ondes de surfaces ne sont pas encore bien discernables des ondes de volumes (en comparaison avec les mesures sur le site précédent).

- Les échos qui auraient pus être générés par les voûtes suivantes sont trop faibles pour être clairement détectés, d'une part parce que l'offset devient grand et d'autre part parce qu'ime partie de l'énergie se propageant a déjà été diffractée par la première vôute.



- L'intersection des phases reste approximative pour le positionnement de la cavité le long du profil. Par contre, la courbe d'amplitude indique précisément le positionnement de la cavité finissant à 10 mètres sans ambiguïté avec d'autres événements, cependant, les enregistrements des ondes de surfaces à partir d'un tir sismiques ne fournissent pas d'information sur l'extension de la cavité le long du profil. La position à 10 mètres correspond à la deuxième limite entre la maçonnerie et le vide de la cavité mais n'indique pas la position du centre de la cavité.

- Comme dans les cas précédents, les mesures sur un tir ne permettent pas de distinguer les effets 3D et les mesures sismiques ne permettent pas de donner la nature de l'objet diffractant.



3. Discussion des performances de chaque méthode, limites et directions d'études.

Â partir des mesures reportées précédemment, différentes conclusions peuvent être tirées pour l'auscultation des cavités. Dans l'ensemble, dans la région de Strasbourg, celles-ci sont maçonnées de diamètres allant de 1 à 3 m et situées à une profondeur de 3 à 5 m , dans un encaissant de loess surmonté d'une chaussée.

Les mesures en micro-gravimétrie ont montré, sur le premier site, ime anomalie négative représentative de la cavité connue pour un pas d'échantillonnage spatial de 2,5 m. Sur le deuxième site, deux anomalies ont été détectées au niveau des cavités mais avec une amplitude faible pour la typologie des galeries.

Le pas d'échantillonage de 2,5 m est recommandé pour ce type de cavité puisque les mesures svir le premier site en fm de profil avec un pas d'échantillonnage de 10 m ne permettent pas de conclvire sur la présence d'une cavité.

Sur le deuxième site très urbanisé, le bruit des mesures est très important et l'amplitude des anomalies très faibles. Dans ce cas, des mesures complémentaires sur des profils parallèles sont à envisager pour filtrer le bruit non cohérent.

Sur ce site, l'amplitude des anomalies ne correspond pas à celles attendues pour des cavités représentatives de Strasbourg. Des études complémentaires seraient nécessaires afin de déterminer la cause de cette variation qui peut être due par exemple à un changement local de la profondeur et du diamètre des cavités. La limite de la méthode dans un contexte trop urbanisé peut aussi être atteinte.

Par ailleurs, certains sites ne permettent pas d'avoir un recul suffisant pour réaliser les mesures gravimétriques. Sur le troisième site par exemple, la clôture du parking ne permet pas de réaliser des mesures de part et d'autre des cavités. De ce fait, les mesures gravimétriques n'auraient pas permis de distinguer l'anomalie locale de la tendance de l'anomalie régionale.

Pour ces raisons, il peut être intéressant de coupler les mesures micro-gravimétriques avec une autre méthode d'auscultation.

Sur les enregistrements sismiques des trois sites, des échos d'ondes de surface diffractées sont visibles à des niveaux correspondants aux cavités.

Cependant, sur le premier site notamment, l'amplitude est très faible et le signal diffiracté est affecté par différentes interférences qui empêchent de le suivre sur de nombreux géophones.



Dans le cas du troisième site où plusieurs cavités se succèdent, seule la première génère un écho dififracté nettement détectable sur la coupe-temps. Les suivantes génèrent des échos faiblement énergétiques.

Des études complémentaires sont nécessaires à partir de données synthétiques et de mesures sur le terrain pour évaluer le type d'offset optimum qui d'une part permettrait d'errregistrer un écho diffracté suffisamment énergétique pour être détecté sans ambiguïté, et qui d'autre part laisserait la distance suffisante pour la mise en place de ondes de surface et leur distinction avec les les ondes de volumes.

Lorsque l'écho diffiacté est détecté sur la coupe temps, le positionnement de l'objet diffractant le long du profil peut être déterminé en pointant l'intersection des phases de chaque écho. Cette méthode géométrique est difficile à mettre en pratique sur des mesures car les puises sont oscillants et les phases sont difficilement distinguables. Sur les trois sites étudiés, cette approche a fourni des résultats variables.

Une autre façon de déterminer la position de l'objet, c'est à dire de définir la position de l'interférence entre l'onde de surface directe et l'onde diffractée, est de calculer l'amplitude maximale de chaque trace. Sur les trois sites étudiés, une anomalie se produit au niveau de la cavité. Cependant, d'autres interférences génèrent des anomalies de ce type, notamment les interférences avec l'onde de volume réfractée par la couche de chaussée.

Lorsque les différentes interférences sont difficiles à dissocier, un tir inverse pourrait apporter im complément d'informations nécessaires. Pour ce problème de psitionnement de l'objet, il serait utile de prolonger les études théoriques afin d'étudier le type de dispositif optimum.

Toutefois, la détermination de la position de l'objet le long du profil n'est valable que si celui-ci est effectivement à l'aplomb des géophones. La source sismique étant 3D, on ne peut s'assurer que les objets détectés sont effectivement le long du dispositif linéaire. Pour résoudre cette ambiguïté des dispositifs plus complexes de géophones positionnés sur une maille en surface pourraient être testés.

Une deuxième limite repose sur la nature de l'objet diffractant. Ce problème peut toutefois être facilement résolu par le couplage avec des mesures de micro-gravimétrie.

Les mesures par radar géologique sur les trois sites ont montré que cette méthode est mal adaptée au milieu qui est trop atténuant pour les ondes électromagnétiques. La profondeur d'investigation est de l'ordre de 1,5m alors que les cavités sont situées entre 3 et 5 mètres de profondeur.



Conclusion

Trois sites situés dans la région de Strasbourg ont été auscultés par différentes méthodes géophysiques : gravimétrie, sismique et radar. Des tests ont permis d'estimer la faisabilité de telles méthodes pour la détection de cavités de diamètre allant de 1 à 3 m, situées à une profondeur allant de 3 à 5 mètres dans le loess.

La micro-gravimétrie, après corrections et retrait de la régionale, a permis dans tous les cas de détecter des anomalies au niveau des cavités. Cependant, des études complémentaires, par exemple sous la forme de trois profils parallèles, sont nécessaires pour les sites très urbanisés ayant fourni des mesures très bruitées.

Sur les mesvires sismiques, un écho diffracté des ondes de surface a été enregistré au niveau de chaque cavité située le long du profil. Cependant, leur faible amplitude sur le premier site et les multiples interférences des ondes de surfaces avec d'autres échos incitent à poursuivre les études afin d'optimiser le dispositif et la méthode d'analyse. Nos efforts porteront essentiellement sur le positionnement de la cavité le long du profil et sur l'estimation de sa profondeur.

L'impossibilité de définir la nature de l'objet difft-actant à partir des mesures sismiques et les différents types de problèmes rencontrés liés aux limites d'accès du site où à la forte urbanisation, tendent à préconiser l'analyse couplée des deux méthodes pour la détection des cavités dans la région de Strasbourg.

Par ailleurs, l'analyse des mesures par radar géologique a montré que le loess est trop atténuant pour la détection des cavités situées à plus de 1,5 m de profondeur.



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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par méttiodes géoptiysiques dans la région de Strasbourg

Liste des Figures

Figure 1 - Principe d'acquisition des sections temporelles par radar géologique

Figure 2 - Photographie du matériel radar lors des mesures à Strasbourg

Figure 3 - Schéma du dispositif de mesures :

a- Schéma du milieu modélisé

b- Traces synthétiques correspondant à des mesures dans un milieu homogène contenant une cavité avec un parement maçonné. Les récepteurs sont espacés d'I m avec vme distance de la source au premier récepteur de 26 m. La cavité est située à une profondeur de 6 m

c- Amplitude maximale de l'onde de surface directe calculée à partir des synthétiques

Figure 4 - Photographie du dispositif d'acquisition sismique lors de mesures à Reischtett

Figure 5 - a- Photographie du dispositif d'acquisition gravimétrique lors de mesures à Reischtett.

b- Résultats numérique (2,5 D) de l'anomalie gravimétrique générée par une cavité de 2m x 2m x 100m située à 5 m de profondeur en milieu homogène et de contraste de densité -2.

Figure 6 - Plan cadastral du premier site de mesures - Ateliers SNCF, Bischheim

Figure 7 - Schéma d'une section de la galerie du premier site de mesures - Ateliers SNCF, Bischheim

Figure 8 - Mesures radar acquises sur le premier site - Ateliers SNCF, Bischheim

a- Coupe temporelle à 500 MHz amplifiée et filtrée b- Atténuation moyenne

Figure 9 - Mesures sismiques acquises sur le premier site - Ateliers SNCF, Bischheim

a- Traces temporelles avec un offset de Im b- Amplitude maximale de l'onde de surface directe



Figure 10 - Mesures acquise sur le premier site - Ateliers SNCF, Bischheim

a- Anomalie de Bouguer b- anomalie gravimétrique résiduelle après retrait de la régionale

Figxire 11 - Plan du deuxième site de mesures - Fort Rapp, Reischtett

Figure 12 - Schéma d'une section de la galerie du deuxième site de mesures - Fort Rapp, Reischtett

Figure 13 - Mesures radar acquises svir le deuxième site - Fort Rapp, Reischtett

a- Coupe temporelle à 500 MHz amplifiée et filtrée b- Atténuation moyenne

Figure 14 - Mesures sismiques acquises sur le deuxième site - Fort Rapp, Reischtett

a- Traces temporelles avec un offset de 10 m b- Amplitude maximale de l'onde de surface directe c- Schéma du site de mesures

Figure 15 - Mesures gravimétriques acquises sur le deuxième site - Fort Rapp, Reischtett

a- Anomalie de Bouguer b- anomalie gravimétrique résiduelle après retrait de la régionale c- Schéma du site de mesures

Figure 16 - Plan du troisième site de mesures - Brasserie Heineken, Schiltigheim

Figure 17 - Mesures radar acquises sur le troisième site de mesures - Brasserie Heineken, Schiltigheim a- Coupes temporelles à 500 MHz amplifiées et filtrées des profils a,b,c b- Atténuations moyennes des profils a,b,c

Figure 18 - Mesures sismiques acquises sur le troisième site de mesures - Brasserie Heineken, Schiltigheim

a- Traces temporelles avec un offset de 5 m b- Amplitude maximale de l'onde de surface directe c- Schéma du site de mesures


BRGM Service Reprographie

Impression et façonnage

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BRGMDirection de la Recherche _

Laboratoire de Géophysique IBP 6009 - 45060 ORLEANS Cedex 2 - France - Tél. : (33) 02.38.64.34.34 •

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BRGMinfoterre.brgm.fr/rapports/RR-40266-FR.pdf · Leparoux D., Bitri A., Le Jeune F., Grandjean G., (1998) - Etude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par