Surveillance hydroacoustique d'une cavité saline. Site de Cerville

Surveillance hydroacoustique d’une cavité saline.

Site de Cerville-Buissoncourt Rapport d’avancement

BRGM/RP-54263-FR novembre 2005

Surveillance hydroacoustique d’une cavité saline.

Site de Cerville-BuissoncourtRapport d’avancement

BRGM/RP-54263-FR novembre 2005

Étude réalisée dans le cadre des opérations de recherche du GISOS

S. Bernardie et F. Lebert

Vérificateur : Nom : H . FABRIOL

Date :

Signature :

Approbateur : Nom : H. MODARESSI

Date :

Signature :

Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000.

Mots clés : Hydroacoustique, GISOS, Surveillance, Cavité, Sel, Site de Cerville-Buissoncourt. En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Bernardie S., Lebert F. (2005) – Surveillance hydroacoustique d’une cavité saline. Site de Cerville-Buissoncourt. Rapport d’avancement. BRGM/RP-54263-FR, 52 p., 23 fig., 2 tabl., 3 ann. © BRGM, 2005, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.

Surveillance hydroacoustique d’une cavité saline

BRGM/RP-54263-FR – Rapport d’avancement 3

Synthèse

a détection de l’état des cavités souterraines constitue un enjeu technique et scientifique capital dans le processus de diagnostic à long terme de cavités

souterraines. La surveillance des cavités salines a pour objectif d’identifier, d’étudier et d’analyser les moyens nécessaires à la conception d’outils méthodologiques appliqués à la détection des signaux prémonitoires d’un possible effondrement en surface. Pour atteindre ces objectifs, les recherches s’appuient particulièrement sur l’expérimentation in situ. Dans ce cadre, un site pilote a été mis en place dans l’exploitation par pistes de sondages de Cerville-Buissoncourt, appartenant à la société Solvay, dans le but de tester différentes techniques dédiées à la détection de signaux annonciateurs d’effondrements. La surveillance hydroacoustique, qui constitue un outil de détection d’instabilités mécaniques, a été mise en œuvre sur ce site. Les objectifs sont de :

- enregistrer l’évolution du signal acoustique susceptible d’évoluer en raison des effondrements partiels de la cavité (délitement des marnes…) ;

- enregistrer l’émission acoustique induite par la microfissuration due aux variations de contraintes du banc de dolomie, et ainsi obtenir des signes précurseurs de l’initiation de la rupture du banc et de son évolution avant que l’effondrement n’apparaisse en surface.

Il s’agit ainsi de définir un protocole de mesures adapté à une cavité saline de dissolution, d’identifier et de mettre en oeuvre des moyens de traitement et d’analyse des signaux nécessaires pour mieux comprendre les différents mécanismes de rupture du massif rocheux susceptibles d’être à l’origine de l’effondrement des cavités. Ce rapport présente l’ensemble des tests réalisés sur la chaîne de mesure hydroacoustique, puis l’installation et les tests in situ du système de mesure sur le site de Cerville-Buissoncourt. Un prochain rapport synthétisera l’ensemble des résultats issus des enregistrements acquis tout au long de cette expérimentation jusqu’à l’effondrement de la cavité étudiée.

L



Sommaire

1. Objectifs de l’étude...................................................................................................9

1.1. OBJECTIF GÉNÉRAL .........................................................................................9

1.2. OBJECTIF DE LA SURVEILLANCE HYDROACOUSTIQUE............................12

2. Tests en laboratoire des chaînes de mesures .....................................................13

2.1. PRÉSENTATION DES SYSTÈMES DE MESURE............................................13

2.2. TESTS EN LABORATOIRE...............................................................................13

2.3. MESURES DU NIVEAU DE BRUIT...................................................................14

2.4. MESURES DES GAINS DES BOÎTIERS DE CONDITIONNEMENT ANALOGIQUE ...................................................................................................14

2.5. MESURES DES RÉPONSES DES BOÎTIERS DE CONDITIONNEMENT ANALOGIQUE POUR DIFFÉRENTES FRÉQUENCES DU SIGNAL ...............17

2.6. TESTS DE TIRS ................................................................................................18

2.7. TESTS DES MESURES RMS ...........................................................................21

3. Concession de Cerville-Buissoncourt. Site expérimental .................................23

3.1. PHASE INITIALE D’EXPLOITATION.................................................................23

3.2. PHASE II D’EXPLOITATION .............................................................................23

4. Protocole de mesures. Installation .......................................................................25

4.1. PHASE INITIALE ...............................................................................................25

4.2. PHASE II............................................................................................................27

4.3. MESURES IN SITU ...........................................................................................28

5. Acquisition et traitement des données.................................................................33

5.1. ACQUISITION DES DONNÉES ........................................................................33

5.2. TRAITEMENT DES DONNÉES.........................................................................33 5.2.1. Surveillances temporelles dans les gammes 30 Hz-3 kHz

et 30-180 kHz ...........................................................................................33 5.2.2. Mesures RMS...........................................................................................33


6 BRGM/RP-54263-FR – Rapport d’avancement

6. Conclusion.............................................................................................................. 35

7. Bibliographie .......................................................................................................... 37

Liste des illustrations

Figure 1 - Illustration des différentes phases de l’exploitation de sel par piste, méthode d’exploitation intensive (document Solvay)............................................................. 10

Figure 2 - Schéma de branchement de l’hydrophone 8224B7................................................ 15 Figure 3 - Schéma de branchement des hydrophones 8224B3 et 8224C1............................ 16 Figure 4 - Gain du module 2 en fonction de la fréquence. ...................................................... 17 Figure 5 - Gain du module 3 en fonction de la fréquence. ...................................................... 18 Figure 6 - Événement BF enregistré par les hydrophones B3 et B7 (source sismique). ........ 19 Figure 7 - Événement BF (source sismique) : enregistrement temporel et spectre

correspondant. ........................................................................................................ 19 Figure 8 - Événement BF enregistré par les hydrophones B3 et B7 (source marteau). ......... 20 Figure 9 - Événement (source marteau) : enregistrement temporel et spectre

correspondant. ........................................................................................................ 20 Figure 10 - Exemple d’événement HF enregistré pendant un test sismique. ........................... 21 Figure 11 - Mesures RMS (en V) dans les 4 bandes de fréquence. Voie 1.............................. 21 Figure 12 - Mesures RMS (en V) dans les 4 bandes de fréquence. Voie 2.............................. 22 Figure 13 - Plan de localisation des hydrophones. ................................................................... 26 Figure 14 - Localisation des hydrophones en fonction de la profondeur. ................................. 27 Figure 15 - Enregistrement des puissances RMS pour les quatre bandes de fréquence......... 29 Figure 16 - Tir (coup de marteau) réalisé au forage 2225. Voie 1 : H1 (B7) dans le puits

2225 (125 m de profondeur) ; Voie 2 : H2 (B3) dans le puits SCT21 (185 m de profondeur)......................................................................................................... 29

Figure 17 - Tir (coup de marteau) réalisé au forage SCT21. Voie 1 : H1 (B7) dans le puits 2225 (125 m de profondeur) ; Voie 2 : H2 (B3) dans le puits SCT21 (185 m de profondeur)......................................................................................................... 30

Figure 18 - Contenu spectral d’un tir au niveau du forage SCT21............................................ 31 Figure 19 - Contenu spectral d’un tir au niveau du forage 2225. .............................................. 31 Figure 20 - Gain en dB du préampli 3 ....................................................................................... 45 Figure 21 - Gain en dB du filtre 3. ............................................................................................. 46 Figure 22 - Gain en dB du préampli 2. ...................................................................................... 47 Figure 23 - Gain en dB du filtre 2 .............................................................................................. 48



Liste des tableaux

Tableau 1 - Position des gains des boîtiers préampli et filtre. .....................................................17 Tableau 2 - Gain des modules.....................................................................................................28

Liste des annexes

Annexe 1 - Log géologique du sondage 3129 .............................................................................39 Annexe 2 - Gains des boîtiers de conditionnement analogique ..................................................43 Annexe 3 - Bel et déciBel. Sensibilité des hydrophones .............................................................49



1. Objectifs de l’étude

1.1. OBJECTIF GÉNÉRAL

L’exploitation de sel par dissolution à relativement faible profondeur (moins de 200 m) pose le problème des possibles évolutions importantes de la surface du sol provo-quées par des vides instables ou susceptibles de devenir instables, du fait des dissolutions incontrôlées après l’arrêt de l’exploitation. Dans la région Lorraine, deux types de cavité sont susceptibles de provoquer des instabilités :

- les cavités résultant de l’exploitation par pistes ;

- les cavités isolées.

Dans cette étude, nous nous concentrons sur l’analyse et la surveillance de cavités créées par l’exploitation par piste, l’objectif étant d’identifier, d’étudier et d’analyser les moyens nécessaires à la conception d’outils méthodologiques appliqués à la détection des signaux prémonitoires d’un possible effondrement en surface. On notera que l’effondrement d’une telle cavité en ligne ne pose pas de réel problème de sécurité, car les terrains en surface sont fermés à toute personne et ne contiennent aucune construction. La véritable application des méthodes proposées est en réalité la surveillance des cavités dites « auto-stables », ainsi nommées car une « planche » de sel laissée à leur toit en assure théoriquement la stabilité et leur étanchéité. Ces dernières sont abandonnées telles quelles après la fin de l’exploitation. Pourtant, une évolution de ces ouvrages est toujours possible, constituant un risque non négligeable à long terme (des effondrements accidentels ont déjà été observés).

La méthode d’exploitation de « pistes de sondages », qui est plus récente que celle des cavités isolées, a été mise en place par la société Solvay à partir de 1950. Dans cette méthode, l’exploitation se décompose en trois phases :

- la foration des sondages distants de 50 m et traversant la totalité des bancs de sel à exploiter ; les sondages sont tubés et cimentés jusqu’au toit du gisement de sel (Figure 1, phase 1) ;

- la formation de chenaux de dissolution horizontaux, afin de mettre en communication les extrémités inférieures des sondages ;

- l’exploitation du sel par dissolution à partir de chenaux, en injectant de l’eau douce dans les sondages de l’extrémité située à l’amont pendage de la piste (sondages introducteurs ou alimentaires) alors que la saumure est extraite dans un sondage de plus gros diamètre, appelé extracteur, situé à l’autre extrémité de la piste (Figure 1, phase 2).



50m

Sol

marnes

marnescalcaires

grèsmarnes et argiles

marnes et argilesdolomies de Beaumont

sel

argiles

sondage

50 à 60m

Sol

eau doucesaumure saturée

~80m

liquide

Matériauxeffondrés

1 - Piste après formation du chenal decommunication et avant la mise en exploitation

3 - Extension de la cavité dans la zone desmarnes et argiles et arrivée au banc des dolomies

Matériauxeffondrés

4 - Le cratère se développe peu à peu dans l’axe de la pistesuivant la progression de la dissolution

2 - Piste en exploitation et développementde la dissolution

4 - Rupture du banc de dolomie et apparitionen surface de l’effondrement appelé “cratère”

Figure 1 - Illustration des différentes phases de l’exploitation de sel par piste, méthode d’exploitation intensive (document Solvay).



Ainsi, la dissolution développe une cavité autour des injections qui remonte progressivement vers le toit du gisement. L’alimentation en eau douce est reportée sur le forage aval suivant, avant que la cavité n’atteigne le toit du sel. Par la suite, selon un processus normal, le toit marneux se dépile progressivement jusqu’au niveau du banc raide de dolomie de Beaumont. Dès que la surface dépilée, au niveau du banc raide, est suffisamment importante, le banc de dolomie se fracture, générant un effondrement très important à la surface du sol dans un délai de plusieurs années en rapport avec le débit d’exploitation. Avec cette technique, la dissolution progresse vers l’aval hydrau-lique selon une bande d’environ 100 m de large en limitant au maximum pendant la phase d’exploitation l’extension horizontale de la dissolution au toit du sel.

La Figure 1 illustre les différentes phases d’une exploitation par piste. Le phénomène d’effondrement commence à se mettre en place dès que les terrains de couverture, qui ne sont plus soutenus par le sel qui a été dissout, s’effondrent peu à peu dans la cavité et il apparaît en surface un effondrement, appelé « cratère », dont la dimension correspond sensiblement à celle de la cavité créée par la dissolution. Cette dépression se remplit d’eau de ruissellement. Les cratères d’effondrement se développent peu à peu dans l’axe de la piste de sondage au fur et à mesure de la progression de la dissolution. Leur largeur varie de 100 à 150 m.

Cette étude se situe dans le cadre de la cavité saline de Cerville-Buissoncourt (exploitation en ligne de Solvay, Figure 1) exploitée par dissolution. La reprise de la dissolution sur cette ligne est programmée pour fin 2005 : l’effondrement de la piste devrait donc avoir lieu environ un an plus tard (incertitude ± 0,5 an).

Dans ce contexte, le but d’une instrumentation géophysique et géotechnique est de savoir s’il est possible d’obtenir des signes précurseurs de l’initiation de la rupture du toit marneux, de son évolution et de l’initiation de la fracturation du banc raide de dolomie avant que l’effondrement n’arrive en surface (phases 3 et 4, cf. Figure 1). Cette prévision permettrait aux exploitants d’optimiser les mesures de sécurité et dispositions à prendre avant l’arrivée imminente de l’effondrement en surface.

Plusieurs techniques ont ainsi été mises en œuvre sur ce site :

- mesures extensométriques ;

- mesures inclinométriques ;

- mesures de pression de la saumure ;

- surveillance microsismique ;

- tomographie sismique ;

- surveillance électrique/magnétique (écoute des courants spontanés dus à l’électro-filtration ou aux tourbillons de saumure) ;

- interférométrie différentielle ;

- surveillance hydroacoustique ;

- suivi hydro-chimique ;



- suivi de la composition de l’atmosphère en sondages.

L’objet de ce rapport est de présenter la surveillance hydroacoustique. Il est à noter que des interactions fortes seront réalisées par la suite entre les différents systèmes de mesures. Notamment des corrélations éventuelles seront analysées, de manière à mettre en évidence des complémentarités entre les différents types de mesures.

1.2. OBJECTIF DE LA SURVEILLANCE HYDROACOUSTIQUE

Dans le cadre d’une mine de sel exploitée par dissolution, les effondrements partiels de la cavité, ainsi que l’évolution des contraintes au niveau du banc de dolomie, sont susceptibles de générer du signal acoustique dans différentes bandes de fréquences selon les mécanismes mis en jeu.

L’objectif de cette étude est d’expérimenter la méthode de surveillance hydro-acoustique pouvant informer des périodes de crise (notamment suite à la reprise de dissolution) dans l’évolution d’une cavité de dissolution saline et fournir des signes précurseurs de son effondrement. Pour cela, la surveillance se réalise avec un réseau hydroacoustique dans une large bande de fréquence (30-180 kHz).

Plus précisément, il s’agit de:

- enregistrer l’évolution du signal acoustique susceptible d’évoluer en raison des effondrements partiels de la cavité (délitement des marnes…) ;

- enregistrer l’émission acoustique induite par la microfissuration due aux variations de contraintes du banc de dolomie, et ainsi obtenir des signes précurseurs de l’initiation de la rupture du banc et de son évolution, avant que l’effondrement n’apparaisse en surface.

Une première surveillance hydroacoustique a été réalisée (Bernardie, 2002) dans une mine de fer exploitée par chambres et piliers, et qui a montré des résultats intéressants concernant les différents enregistrements mesurés (Gilbert, 2003). Il a ainsi été décidé d’appliquer cette technique de surveillance à un contexte salin.

Pour cela, tout au long du suivi de l’évolution de la cavité saline, il est prévu de mesurer en continu trois types de signaux :

- évolution dans le temps de la puissance RMS du signal en sortie des hydrophones dans quatre gammes de fréquences ;

- événements (émissions acoustiques ou microsismicité) dans la gamme de fréquence 30 Hz-3 kHz ;

- événements hydroacoustiques dans la gamme de fréquence 30-180 kHz.



2. Tests en laboratoire des chaînes de mesures

2.1. PRÉSENTATION DES SYSTÈMES DE MESURE

Pour cette instrumentation, nous disposons du matériel provenant de l’instrumentation du site pilote de Tressange qui est réemployé dans le cadre de cette expérimentation :

- 2 boîtiers de conditionnement analogique ;

- 1 hydrophone ITC 8224B ;

- 1 chaîne de mesures des puissances RMS (centrale d’acquisition + pc) ;

- 1 chaîne de mesures des événements HF (centrale d’acquisition Hyperion de ESG + pc).

Pour plus de détails, chacune de ces composantes du système de surveillance hydroacoustique est détaillée dans le rapport Bernardie (2002).

Par ailleurs, nous disposons de la centrale d’acquisition INERIS BF qui provient du site de la falaise de Criel, destinée à l’acquisition des événements hydroacoustiques dans la gamme 30 Hz-3 kHz.

Enfin, nous avons fait l’acquisition de deux autres capteurs ITC, un 8224B et un 8224C. La particularité du capteur 8224C réside dans le fait que la fréquence de coupure passe haut du capteur est à 10 kHz (tandis que celle du 8224B est à 1 kHz). Ainsi, avec cet hydrophone, l’objectif visé concerne uniquement l’analyse des événements se situant dans la gamme des hautes fréquences entre 30 et 180 kHz. Il ne nécessite pas de filtre analogique supplémentaire, et les signaux sont directement acquis par le système haute fréquence.

2.2. TESTS EN LABORATOIRE

L’ensemble du matériel, provenant du site pilote de Tressange et du site de Criel, a été remis en marche et testé. Par ailleurs, les trois capteurs ont été raccordés à un câble de 500 m par une moulure étanche et résistante à de fortes pressions (étant donné que la moulure descendra jusqu’à 185 m de profondeur).

Différentes mesures ont ensuite été réalisées sur les trois chaînes d’acquisition (BF, HF et RMS) :

- mesures du niveau de bruit pour différents montages ;

- mesurer les gains de chaque boîtier de conditionnement analogique ;

- mesurer le gain pour différentes fréquences du signal ;



- détecter d’éventuelles interférences avec des bruits électroniques d’origines diverses, notamment les batteries alimentées/non alimentées (i.e. vérifier la qualité des chargeurs de batterie en mesurant s’ils introduisent du bruit ou non) ;

- essais au marteau et à la source sismique : tests de réponse de l’hydrophone pour différentes amplitudes. Les tests sont réalisés dans le laboratoire, le capteur placé dans le forage.

2.3. MESURES DU NIVEAU DE BRUIT

Des mesures de niveau de bruit ont été réalisées, dans le but d’atteindre les conditions optimums pour minimiser le bruit. L’élément important qui conditionne ce niveau de bruit est la gestion de la prise de terre. Ainsi, différents branchements ont été testés, afin de déterminer quel branchement optimise la chaîne de mesure, i.e. quel circuit minimise le niveau de bruit du système de mesure.

Deux circuits ont finalement été retenus : le schéma montré sur la Figure 2 est appliqué pour l’hydrophone 8224B7 (montage fourni par le constructeur), tandis que celui représenté sur la Figure 3 est appliqué pour les hydrophones 8224B3 et 8224C1. Ce dernier montage réalisé au BRGM a été choisi de telle manière à pouvoir disposer du fil de calibration dans l’éventualité de la réalisation de tests de la chaîne de mesure.

2.4. MESURES DES GAINS DES BOÎTIERS DE CONDITIONNEMENT ANALOGIQUE

Le gain de chaque module (boîtiers préampli. et filtre) a été mesuré pour chaque position de bouton, ceci pour différentes fréquences du signal : 150, 1,5, 15 et 40 Hz. Les courbes résultats sont inclus en Annexe 2, sur les Figure 20, Figure 21, Figure 22 et Figure 23.

Il est à noter que :

- pour les boîtiers préampli, le bouton de la voie « > 100 Hz » a été testé pour les fréquences 150 Hz, 1,5 kHz et 15 kHz, tandis que le bouton de la voie « > 15 kHz » a été testé à 40 kHz. Pour chaque voie mesurée, la position du bouton de l’autre voie doit suivre les critères établis par le constructeur (cf. Bernardie, 2002) ;

- pour les boîtiers filtre, le bouton de la voie « 30 Hz-3 kHz » a été testé pour les fréquences 150 Hz, 1,5 kHz, le bouton de la voie « 3 kHz-30 kHz » a été testé pour la fréquence 15 kHz, et le bouton de la voie « 30 kHz-180 kHz » a été testé pour la fréquence 40 kHz.

Ces mesures ont été comparées aux mesures relevées par le constructeur. Nous observons sur la courbe des gains des préamplificateurs (Figure 20 et Figure 22) une bonne concordance entre les mesures fournies par le constructeur et nos mesures. Par contre, en ce qui concerne le gain des filtres (Figure 21 et Figure 23), nous observons une différence non négligeable dans les gammes de fréquence 3-30 kHz et 30-180 kHz.



V+V-

S+S-

CALGROUND

CAPTEUR

TERREGROUND

ALIMENTATION

V+

V-

S+

S-GROUND

MESURE

Le fil de calibration est inutilisable

Câble original de l'hydrophone (5 m) :Trois paires de fils protégées par une tresse ; les trois tresses sont reliées au fil de masse du capteur

Câble de liaison à 5 conducteurs protégés par un double feuillard (400 m)

Les Feuillards de masse sont directement reliés à la terre,indépendamment des circuits d'alimentation ou de mesure

Tresses et feuillards sont sans liaison directe

V+V-

S+S-

CALGROUND

Alimentation (tension positive)Alimentation (tension négative)Signal (gain positif)Signal (gain négatif)

Terre/Masse/Référence électriqueFeuillard/Tresse de masse

Calibration

Légende

Figure 2 - Schéma de branchement de l’hydrophone 8224B7.



V+V-

S+S-

CALGROUND

CAPTEUR

TERREGROUND

ALIMENTATION

V+

V-

S+

S-GROUND

MESURE

Les feuillards de masses transmettent la référence électrique pour simplifierles circuits de masse et libérer un fil

Les feuillards sont reliés au fil de masse du capteur

Fil "CAL" disponible en surface

V+V-

S+S-

CALGROUND

Alimentation (tension positive)Alimentation (tension négative)Signal (gain positif)Signal (gain négatif)

Terre/Masse/Référence électriqueFeuillard/Tresse de masse

Calibration

Légende

Câble original de l'hydrophone (5 m) :Trois paires de fils protégées par une tresse ; les trois tresses sont reliées au fil de masse du capteur

Câble de liaison à 5 conducteurs protégés par un double feuillard (400 m)

Figure 3 - Schéma de branchement des hydrophones 8224B3 et 8224C1.



2.5. MESURES DES RÉPONSES DES BOÎTIERS DE CONDITIONNEMENT ANALOGIQUE POUR DIFFÉRENTES FRÉQUENCES DU SIGNAL

Des mesures de la réponse des deux modules de conditionnement analogique ont été réalisées en fonction de la fréquence du signal (Figure 4 et Figure 5). Les mesures des puissances RMS ont été faites pour chaque bande de fréquence : BT (bande totale), BF (basse fréquence), MF (moyenne fréquence), HF (haute fréquence).

La position des gains lors de cette série de mesure est décrite dans le Tableau 1 :

Préampli. voie > 100 Hz voie > 15 kHz 2 9

Filtre voie 30 Hz-3 kHz voie 3 kHz-30 kHz voie 30 kHz-180 kHz 0 0 0

Tableau 1 - Position des gains des boîtiers préampli et filtre.

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

110.00

120.00

1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06Fréquence (Hz)

Gai

n (d

B/(D

igits

/V))

Total

BF

MF

HF

Figure 4 - Gain du module 2 en fonction de la fréquence.

Nous observons une forte diminution du gain à partir de 3 kHz pour la bande BF. Concernant la bande MF, la courbe montre un gain important entre 3 et 20 kHz. Enfin, le gain dans la bande HF augmente fortement à partir de 30 kHz. Tous ces résultats sont donc en bonne concordance avec les filtres utilisés pour délimiter les différentes bandes de fréquence.



0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

110.00

120.00

1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06Fréquence (Hz)

Gai

n (d

B/(D

igits

/V))

Total

BF

MF

HF

Figure 5 - Gain du module 3 en fonction de la fréquence.

2.6. TESTS DE TIRS

Des essais à la source sismique et au marteau ont été réalisés à Orléans, à proximité du bâtiment D3. Les deux hydrophones 8224B ont été placés dans un forage rempli d’eau, à 25 m de profondeur. Les tirs ont été faits en surface à proximité du forage.

Les figures ci-dessous montrent les événements BF enregistrés sur 0,35 s lors des essais à la source sismique (Figure 6 et Figure 7) et au marteau (Figure 8 et Figure 9).

Nous observons que chaque tir a été enregistré par les deux capteurs, avec une bonne dynamique du signal. Le contenu spectral de l’événement généré par la source sismique se situe entre 50 et 450 Hz, avec une énergie assez étalée entre 50 et 300 Hz et un pic plus prononcé autour de 400 Hz.

Concernant les essais au marteau, nous observons un contenu fréquentiel plus basse fréquence situé entre 50 et 300 Hz.



Figure 6 - Événement BF enregistré par les hydrophones B3 et B7 (source sismique).

Figure 7 - Événement BF (source sismique) : enregistrement temporel et spectre correspondant.



Figure 8 - Événement BF enregistré par les hydrophones B3 et B7 (source marteau).

Figure 9 - Événement (source marteau) : enregistrement temporel et spectre correspondant.



Pendant ces essais, des événements dans les hautes fréquences ont été enregistrés. Un exemple est montré sur la Figure 10.

Figure 10 - Exemple d’événement HF enregistré pendant un test sismique.

2.7. TESTS DES MESURES RMS

Après réglage du niveau de bruit en choisissant le montage de la prise de terre le mieux adapté, nous obtenons des enregistrements avec un niveau de bruit faible, permettant ainsi d’enregistrer des événements avec une bonne dynamique, tels qu’on peut le voir sur les Figure 11 et Figure 12.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

12:30:00 12:40:00 12:50:00 13:00:00 13:10:00

V1T

V1BF

V1MF

V1HF

Frappe Marteau 1Frappe Marteau 2 Seau d'eau 1

Seau d'eau 2

Seau d'eau 3

Agiter les sondes

Figure 11 - Mesures RMS (en V) dans les quatre bandes de fréquence. Voie 1.



Les différentes sources de bruit (frappe de marteau, seau d’eau versé dans le forage, sondes agitées avec le câble) sont détectées par les deux capteurs, y compris dans les hautes fréquences, même si le signal est faible.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

12:30:00 12:40:00 12:50:00 13:00:00 13:10:00

V2T

V2BF

V2MF

V2HF

Frappe Marteau 1 Frappe Marteau 2 Seau d'eau 1 Seau d'eau 2Seau d'eau 3

Agiter les sondes

Figure 12 - Mesures RMS (en V) dans les quatre bandes de fréquence. Voie 2.



3. Concession de Cerville-Buissoncourt. Site expérimental

L’exploitation actuelle est constituée de deux pistes parallèles séparées de 80 m et d’une longueur d’environ 1,3 km. Les pistes sont constituées de 24 forages (piste 2100) et 25 forages (piste 2200). Leur exploitation a débuté en 1997, puis un arrêt a eu lieu quelques mois après le démarrage. Elle a ensuite repris en 2000.

Actuellement, la dissolution complète du sel a été effectuée en partie au droit des trois premiers sondages introducteurs. L’imagerie sonar montre que la cavité a atteint localement le toit du sel. L’exploitation a ensuite été ajournée, pour permettre la réali-sation de deux nouvelles pistes parallèles aux deux premières, à 140 m de distance.

3.1. PHASE INITIALE D’EXPLOITATION

Durant cette phase, les pistes 2100 et 2200 ne sont pas exploitées. Par contre, la piste située à côté (3100) est en cours d’exploitation.

Ainsi, les mesures du système durant cette phase sont considérées comme l’état initial de référence avant perturbation du signal associée à la reprise de dissolution.

3.2. PHASE II D’EXPLOITATION

À partir de la fin d’année 2005, la reprise de dissolution de la cavité saline est programmée par l’exploitant.

Pour cela, la solution technique d’exploitation finalement retenue est le rabattement de la nappe de saumure à environ 10 m en dessous du mur de la poutre de sel restant côté piste 2100. Ce choix a pour objectif de récupérer le banc de sel restant sans étendre significativement la cavité du côté de la piste 2200, d’éviter une résurgence importante de saumure en surface lors de l’effondrement et de ne pas polluer l’aquifère des grès du Rhétien. Le rabattement du niveau de saumure dans la cavité aura pour effet d’annuler la contre pression qui contribue actuellement, pour partie, à la stabilité de la cavité.

Ainsi, même si la stabilité de la cavité semble pouvoir être assurée avec une pression de saumure égale à 0, on ne peut pas totalement exclure l’effondrement de la cavité à l’issue de cette phase de rabattement.

Le début des travaux de rabattement est prévu en octobre 2005, pour une durée de trois mois. Le démarrage de la dissolution est prévu pour janvier 2006.

Dès le rabattement de la nappe en octobre 2005, l’exploitation sera classée à risque d’effondrement et l’accès à la zone sera strictement réglementé par Solvay.



4. Protocole de mesures. Installation

4.1. PHASE INITIALE

Les objectifs de cette première phase de mesures sont multiples :

- mesurer le niveau de bruit avant la reprise de dissolution. Il sera nécessaire de comparer les niveaux de mesure RMS et l’activité des événements BF et HF mesurés durant les phases I et II ;

- analyser les éventuels bruits enregistrés sur les différents systèmes d’acquisition (HF et BF). Pour cela, les variations périodiques des niveaux RMS et l’occurrence périodique d’événements de même signature seront détectés et éliminés ;

- analyser l’atténuation du signal entre les forages 2225 et SCT21. Cette analyse est importante, dans la mesure où finalement aucun hydrophone, parmi les trois, ne sera situé par la suite au centre de la cavité, étant donné que le niveau de la nappe de saumure sera situé à environ 10 m en dessous du toit de la cavité. Il s’agira ainsi de vérifier la performance de détection d’événements du système qui sera mis en place durant la dissolution.

Durant la phase initiale entre avril 2005 et fin 2005, les trois hydrophones sont disposés selon la Figure 13 : - 1 hydrophone ITC 8224B H1 (B7) placé dans le puits 2225, au niveau de la couche

de dolomie à 125 m de profondeur ;

- 1 hydrophone ITC 8224B H2 (B3) placé dans le puits SCT21, au niveau de la cavité saline à 185 m de profondeur ;

- 1 hydrophone ITC 8224C H3 (C1) placé dans le puits SCT21, au niveau de la couche de dolomie à 125 m de profondeur.

La Figure 14 montre la position des hydrophones, en fonction de la profondeur choisie, selon les niveaux géologiques visés.



SCT21

2225

Figure 13 - Plan de localisation des hydrophones.



125m

185m

Hydrophone

Figure 14 - Localisation des hydrophones en fonction de la profondeur.

4.2. PHASE II

La reprise de dissolution est prévue pour fin 2005. Le rabattement de la nappe prévu implique que le sondage 2225 sera sans eau. Il est ainsi envisagé deux possibilités pour déplacer le capteur H1 :



- dans le forage 3129, ce qui sera possible dans le cas où l’exploitation de la piste 3100 est terminée avant fin 2005. Cette configuration permettrait une répartition homogène du réseau hydroacoustique autour de la cavité considérée, permettant une possibilité d’estimation de la localisation des événements détectés ;

- dans le cas contraire, le capteur sera positionné dans le forage SCT21, entre les deux autres capteurs.

4.3. MESURES IN SITU

La phase d’installation passe par la mesure du niveau de bruit et par trouver le système qui optimise l’enregistrement de bruit. Pour cela, la prise de terre conditionne de manière importante le niveau de bruit récupéré sur les différentes chaînes de mesures.

Par ailleurs, les gains ont été choisis de manière optimale, en choisissant un gain maximal sans atteindre la saturation.

Le tableau ci-dessous récapitule les gains choisis pour chaque module :

Module 3 voie > 100 Hz voie > 15 kHz Préampli

5 2 voie 30 Hz-3 kHz voie 3 kHz-30 kHz voie 30-180 kHz Filtre

1 1 0

Module 2 voie > 100 Hz voie > 15 kHz Préampli

5 2 voie 30 Hz-3 kHz voie 3-30 kHz voie 30-180 kHz Filtre

1 2 0

Tableau 2 - Gain des modules.

La Figure 15 montre l’enregistrement des mesures RMS pour les deux capteurs et pour les quatre bandes de fréquences. Cet enregistrement durant la nuit (sans intervention humaine) montre peu de variation du signal dans les quatre bandes de fréquences, et aucune variation cyclique n’est observée. Ce premier enregistrement laisse ainsi envisager une bonne détection des phénomènes qui nous intéressent, à savoir une activité hydroacoustique associée à l’augmentation des effondrements partiels de la cavité et de la contrainte au niveau du banc de dolomie.



Figure 15 - Enregistrement des puissances RMS pour les quatre bandes de fréquence.

Des coups de marteaux sur le sol et sur le tubage ont été réalisés une fois les capteurs installés, afin de tester la réponse des chaînes de mesure, et estimer la distance d’atténuation (Figure 16 et Figure 17).

Figure 16 - Tir (coup de marteau) réalisé au forage 2225. Voie 1 : H1 (B7) dans le puits 2225 (125 m de profondeur) ; Voie 2 : H2 (B3) dans le puits SCT21 (185 m de profondeur).



Figure 17 - Tir (coup de marteau) réalisé au forage SCT21. Voie 1 : H1 (B7) dans le puits 2225 (125 m de profondeur) ; Voie 2 : H2 (B3) dans le puits SCT21 (185 m de profondeur).

Chaque capteur a enregistré les coups de marteaux avec le système BF, avec une bonne dynamique de signal. Il est à noter que pour chacun de ces tirs, seuls le(s) capteur(s) situé(s) au niveau du tir a (ont) enregistré un événement. La distance d’atténuation est donc inférieure à la distance entre les forages SCT21 et 2225, i.e. 120 m.

Par ailleurs, aucun événement dans les hautes fréquences n’a été enregistré durant ces tirs.

Les Figure 18 et Figure 19 montrent le contenu spectral du signal enregistré par les hydrophones H1 et H2 de ces événements. L’événement enregistré au niveau du forage SCT21 montre un contenu fréquentiel compris entre 100 et 800 Hz, avec deux pics autour de 150 Hz et 350 Hz. L’événement enregistré au niveau du forage 2225 a un contenu fréquentiel plus haute fréquence, allant jusqu’à 1 000 Hz, avec un pic à 550 Hz.



Figure 18 - Contenu spectral d’un tir au niveau du forage SCT21.

Figure 19 - Contenu spectral d’un tir au niveau du forage 2225.



5. Acquisition et traitement des données

5.1. ACQUISITION DES DONNÉES

Tout au long du suivi de l’évolution de la cavité saline, il est prévu de mesurer en continu trois types de signaux :

- évolution dans le temps de la puissance RMS dans quatre gammes de fréquences ;

- événements dans la gamme de fréquence 30 Hz-3 kHz ;

- événements dans la gamme de fréquence 30-180 kHz.

L’acquisition des puissances RMS se fait en continu toutes les secondes.

Concernant les surveillances temporelles, les enregistrements des événements sont déclenchés sur seuil choisi, pour chaque centrale d’acquisition et pour chaque voie, à trois fois le niveau de bruit.

La durée des enregistrements est de 4 ms pour les événements hautes fréquences, et de 0,35 s pour les événements basse fréquence.

5.2. TRAITEMENT DES DONNÉES

5.2.1. Surveillances temporelles dans les gammes 30 Hz-3 kHz et 30-180 kHz

Concernant les événements enregistrés dans les basses et hautes fréquences, il est intéressant d’analyser :

- l’évolution du nombre d’événements détectés par chacun et/ou tous les hydrophones ;

- l’analyse des amplitudes, l’énergie des événements et l’énergie cumulée ;

- l’analyse spectrale des événements ;

- la classification des événements selon leur signature et leur contenu spectral.

5.2.2. Mesures RMS

Concernant l’évolution dans le temps des puissances RMS dans les quatre bandes de fréquences, la conversion des données est nécessaire. Pour cela, les tensions (mV) sont transformées en pression (Pa), selon le gain appliqué et la sensibilité du capteur. On obtient ainsi des niveaux RMS en µPa ref. 1 V/V(Hz).

Les gains choisis pour l’expérimentation ont été fournis dans le Tableau 2.



Voici un exemple de calcul de la conversion pour la bande de fréquence HF (30-180 kHz). Il est à noter que l’Annexe 3 fournit un complément d’information sur les calculs de conversion.

La bande passante du filtre de l’hydrophone est 0-150 kHz, avec la fréquence de résonance à 125 kHz, puis une pente de 24 dB/octave.

On considère la bande passante HF : 30 -150 kHz, d’où ∆BP = 120 kHz.

La valeur lue de RMS est exprimée en digits : on prend la valeur de 300 lue en moyenne durant l’enregistrement de nuit (cf. Figure 15).

La carte d’acquisition est codée sur 16 bits. Donc, 10 V cc (+/- 5V) correspond à 216

bits (65 536 bits), d’où 300 digits correspondent à 300 * 10 000 / 216 = 45.776 mV ;

Vsortie(dB ref.1 VRMS) = 20 log (0.045) = - 26.79 dB ref.1 VRMS

Par ailleurs, un gain est appliqué au niveau des préamplis et des filtres :

- préampli (voie > 15 kHz) : bouton 2, gain : 10.41 ;

- filtre (voie 30-180 kHz) : bouton 0, gain : 0.78 ;

- d’où Vsortie capteur = - 26.79 – 10.41 – 0.78 = - 37.98 dB ref.1 VRMS ; = 10(-37.98/20) = 1.26.10-2 VRMS.

Enfin, pour connaître la valeur physique mesurée par le capteur, il est nécessaire d’utiliser la sensibilité du capteur pour transformer la tension en pression :

En HF, selon la courbe fournie par le constructeur, la sensibilité = -143 dB ref. 1V/µPa.

Ainsi, le signal de 300 digits enregistré correspond à une variation de pression de :

-37.98 + 143 = 105.02 dB ref. 1µPa

Puis pour référencer par rapport à VHz, il faut enlever :

10 x log (120 000) = 50.8 dB

On obtient : 105.02 – 50.8 = 54.22 dB ref. 1µPa/VHz, qui correspond en µPa, à un signal de 10(54.22/20) = 514.044 µPa/VHz

Il est à noter que le bruit propre du capteur est inférieur à 18 dB ref. 1 µPa, à partir de 10 kHz, ainsi le niveau de bruit mesuré est bien au-delà du bruit propre du capteur.



6. Conclusion

e rapport d’avancement présente le système de surveillance hydroacoustique appliqué à la détection d’instabilités d’une cavité saline. Il fournit l’ensemble des

tests réalisés nécessaires, pour en vérifier le bon fonctionnement et calibrer les enregistrements.

Ce système a ensuite été mis en œuvre dans une exploitation par piste de sondages (concession de Cerville-Buissoncourt), dont l’effondrement sera provoqué suite à la reprise de dissolution d’une des cavités. La surveillance hydroacoustique a débuté, les premiers résultats permettront de fournir un état initial avant la reprise de dissolution programmée pour fin 2005. Par la suite, l’analyse des signaux acquis durant la dissolution a pour objectif de mettre en évidence des signaux hydroacoustiques susceptibles de se produire avant et pendant l’effondrement de la cavité.

C



7. Bibliographie

Bernardie S. (2002) – Surveillance hydroacoustique dans le cadre du site pilote de Tressange (bassin ferrifère lorrain). Faisabilité et instrumentation. Rapport GISOS/BRGM/RP-52026-FR.

Gilbert J.P. (2003) – Traitement et exploitations des mesures issues de la surveillance hydroacoustique dans le cadre du site pilote de Tressange. Rapport de fin d’études d’ingénieur de l’EOST.



Annexe 1

Log géologique du sondage 3129





Annexe 2

Gains des boîtiers de conditionnement analogique



0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Position bouton

Gai

n en

dB

150 Hz1500 Hz15 kHz40 kHzconstructeur >100 Hzconstructeur >15 kHz

Figure 20 - Gain en dB du préampli 3.



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Position bouton

Gai

n en

dB

150 Hz1500 Hz15 kHz40 kHzconstructeur 30 Hz-3 kHzconstructeur 3 kHz-30 kHzconstructeur 30 KHz-180 kHz

Figure 21 - Gain en dB du filtre 3.



0

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Position bouton

Gai

n en

dB

150 Hz1500 Hz15 kHz40 kHzconstructeur >100 Hzconstructeur >15 KHz

Figure 22 - Gain en dB du préampli 2.



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Position bouton

Gai

n en

dB

1500 Hz15 kHz40 kHz150 Hzconstructeur 30Hz - 3 kHzconstructeur 3 kHz - 30 kHzconstructeur 30 kHz - 180 kHz

Figure 23 - Gain en dB du filtre 2.



Annexe 3

Bel et déciBel. Sensibilité des hydrophones



Définitions : Bel et déciBel

(sources : tout ouvrage ou article de physique, en particulier : http://perso.wanadoo.fr/f6crp/elec/db.htm)

Le « Bel » (B) est l’unité de rapport entre deux grandeurs, exprimé en logarithme décimal :

n (en B) = log(G1/G2).

Elle est utilisée en électronique et en acoustique, ainsi que dans tous les domaines de la physique où il est nécessaire d’exprimer des grandeurs présentant de grandes variations d’ordre de grandeur.

Pratiquement, c’est la sous-unité « décibel » qui est en fait utilisée :

m (en dB) = 10.n (en B) = 10.log(G1/G2).

Pour des raisons de cohérence, afin que les valeurs obtenues représentent la même chose, un rapport de puissance véhiculé par un signal, obtenu par des mesures d’amplitude de ce signal amènera :

- G (en dB) = 10.log (P/P0) = 20.log (A/A0) = 10.log (A2/A02) ] ;

- car la puissance est proportionnelle au carré de l’amplitude ;

- P et P0, sont des puissances exprimées en Watt ;

- A, A0 sont des amplitudes de courant ou tension, exprimées respectivement en Volt ou en Ampère.

Définitions : sensibilité des hydrophones

La sensibilité d'un hydrophone correspond à 20 fois le logarithme en base 10 du rapport de la tension de sortie efficace à une référence de 1 V efficace, lorsque le capteur de l'hydrophone sans préamplificateur est placé dans un champ acoustique à ondes planes ayant une pression efficace de 1 µPa.

Par exemple, un hydrophone d'une sensibilité de -160 dB (référence 1 V par µPa) donnera une tension de sortie de 10-8 V dans ce champ, tandis qu'un hydrophone d'une sensibilité de -180 dB ne produira qu'une tension de sortie de 10-9 V.

Ainsi, une sensibilité de -160 dB est meilleure qu'une sensibilité de -180 dB.

(Récupérée de « http://fr.wikipedia.org/wiki/Hydrophone »)



Amplification

Un hydrophone de sensibilité S, dans un champ de pression P, suivi par une chaîne d’amplification G fournira un signal d’amplitude A :

A = P.S.G, soit en dB : 20.log(P) + S + G.

Inversement, le champ de pression correspondant à une mesure d’amplitude A sera :

P = A/S/G, soit en dB : 20 .log(A) - S - G.

Centre scientifique et technique

Service aménagement et risques naturels 3, avenue Claude-Guillemin

BP 6009 – 45060 Orléans Cedex 2 – France – Tél. : 02 38 64 34 34

Documents

Surveillance hydroacoustique d'une cavité saline. Site de Cerville