Optimisation d'une source vibratoire pour la détection des cavités souterraines par sismique réflexion haute résolution, Optimization of a vibratory source for cavity detection by high resolution seismic

De
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Sous la direction de Bogdan Piwakowski
Thèse soutenue le 07 décembre 2009: Ecole Centrale de Lille
L’objectif principal de cette thèse est de développer et d’optimiser les outils d’acquisition de la technique de Sismique réflexion haute résolution (SHR) afin d’améliorer ses performances pour la détection des cavités souterraines. Il est communément admis que l’imagerie SHR est d’autant plus complexe que la profondeur de la cible est petite. Les travaux menés dans le cadre de cette thèse devraient remédier à certains problèmes les plus critiques identifiés lors des applications de la SHR.L’utilisation des sources vibratoires présente des avantages indéniables (non destructivité, contrôle du signal émis...) par rapport aux sources « classiques » (i.e. impulsionnelles, destructives) mais leur application optimale nécessite un choix correct du signal émis.Ainsi, les travaux de recherche réalisés ont permis de (1) développer un système complet de pilotage par ordinateur d’une mini-source vibratoire destinée à l’imagerie SHR, (2) développer une méthode de génération de signaux émis. En établissant un lien entre le signal d’entrée et l’image sismique obtenue, cette procédure offre la possibilité à l’utilisateur de choisir le signal émis en fonction des conditions de terrain, et des objectifs des mesures, (3) tester le fonctionnement du système développé avec plusieurs mini-vibrateurs.Le système développé ainsi est testé et validé dans les tests à petite échelle. Ensuite, il a été utilisé dans les conditions réelles avec l’objectif « détection des cavités » dans le contexte salin (anciennes mines de sel en Lorraine, profondeur : 160 m - 180 m) et les marnières de Haute Normandie (anciennes carrières de craie, profondeur : 15 m - 45 m)
-Sismique haute résolution
-Résolution sismique
-Source vibratoire
-Balayage fréquentiel
-Détection des cavités
The main objective of this thesis is to develop and optimize the acquisition tools for High Resolution Reflection Seismic (HRS) technique in order to improve its performances in the detection of underground cavities. It is commonly admitted that HRS imaging becomes more complicated with when the depth of interest is decreased. The work carried out in the frame of this thesis aims to bring solutions to some of the most critical problems identified in application of the HRS.The vibratory sources show undeniable advantages (non destructivity, controllable output signal) over “classic” (impulsive, destructive) sources. However, the optimal use of these sources depends on the proper choice of emitted signal.Thus, the research work carried out resulted in (1) development of a complete, computer-based vibrator control system allowing piloting small vibratory source intended to use for HRS surveys, (2) development of a method for generating the source signal. The proposed procedure links the entry signal with seismic image and thus allows the choice of the signal in terrain conditions and with regard to the measurement goals, (3) extensive testing of the developed system with several portable vibratory sources.The developed system was tested and validated in small-scale tests. Afterwards it was used in real conditions with the goal of “cavity detection” in salt-mining context (old salt mines in Lorraine region at depths between 160 m and 180 m) as well as in chalk-mining area (ancient marl-pit quarries in the Normandy region at depths 15 m - 45 m)
-High resolution seismic
-Seismic resolution
-Vibratory source
-Sweep
-Cavity detection
Source: http://www.theses.fr/2009ECLI0019/document
Publié le : jeudi 27 octobre 2011
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Nombre de pages : 312
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N° d’ordre : 113

ECOLE CENTRALE DE LILLE



THESE

présentée en vue
d’obtenir le grade de


DOCTEUR

en

Spécialité : électronique

par

Arkadiusz KOSECKI


DOCTORAT DELIVRE PAR L’ECOLE CENTRALE DE LILLE




Titre de la thèse :
OPTIMISATION D'UNE SOURCE VIBRATOIRE POUR LA DETECTION DES CAVITES SOUTERRAINES PAR
SISMIQUE REFLEXION HAUTE RESOLUTION

Soutenue le 7/12/2009 devant le jury d’examen :

Président Professeur Bertrand Dubus, ISEN Lille
Rapporteur Professeur Jean-Luc Mari, Institut français du pétrole (IFP)
Rapporteur Professeur François Marillier, Université de Lausanne (UNIL)
Membre Professeur Bertrand Nongaillard, Université de Valenciennes
Membre Philippe Côte, LCPC
Membre Lynda Driad-Lebeau, INERIS
Membre Gilles Grandjean, BRGM
Invitée Sonia Millereau-Sebilo, SNCF
Directeur de thèse Professeur Bogdan Piwakowski, Ecole Centrale de Lille


Thèse préparée dans le Laboratoire
Groupe Ultrasons, Ecole Centrale de Lille (IEMN DOAE UMR 8520 CNRS)


Ecole Doctorale SPI 072 (Lille I, Lille III, Artois, ULCO, UVHC, EC Lille)

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tel-00579842, version 1 - 25 Mar 2011tel-00579842, version 1 - 25 Mar 2011Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier le Réseau Ferré de France (RFF) qui, par l’intermédiaire de
la Société Nationale des Chemins de Fer Français (SNCF), a financé entièrement cette thèse. Je
remercie également l’Institut National de l’Environnement Industriel et des Risques (INERIS),
qui a proposé le programme de recherche dans le cadre duquel cette thèse a été réalisée.
Je remercie chaleureusement les membres du jury, pour leur présence et l’intérêt qu’ils ont porté
à ce travail. Merci notamment aux professeurs Jean-Luc Mari et François Marillier pour avoir
accepté d’évaluer le mémoire de thèse et pour leurs corrections et suggestions qui ont permis
d’améliorer ce manuscrit.
Cette thèse a été réalisée au sein du Groupe Ultrasons de l’Ecole Centrale de Lille et de l’Institut
d'Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN). Je tiens donc à remercier
toutes les personnes plus ou moins impliquées dans mon travail. Merci en particulier à Simon et
Xavier qui m’ont aidé dans les développements électroniques. Mes remerciements spéciaux vont
à Paweł, mon ami aux mains d’or, qui a construit les sources sismiques et m’a accompagné
pendant de longues heures afin de les tester.
Les expérimentations sur le terrain ont été possibles grâce à l’aide de la société Rhodia Chimie et
le Centre d'Etudes Techniques de l'Équipement (CETE) Normandie-Centre. Je tiens à les
remercier. Dans ce dur travail sur le terrain j’ai pu bénéficier de l’aide de nombreuses personnes,
John, Nicolas, Isabelle, Paweł, Sylvain et autres, et je leur suis très reconnaissant. Merci aussi à
Guy Drijkoningen de l’Université Technique de Delft et Hank van der Meer de l’Université
d’Utrecht pour la possibilité qu’ils m’ont offerte de travailler avec leurs sources sismiques et
pour leur participation dans les expérimentations.
La rédaction de ce manuscrit aurait été beaucoup plus difficile sans l’aide de mes collègues de
l’INERIS, notamment Cyrille Balland, Christine Schenck et Christophe Didier. Je tiens à les
remercier tous.
Mes pensées vont également à ma famille et mes proches. Merci surtout à Zuzanna, ma chère
compagne dans cette aventure, pour son soutien dans les moments difficiles et pour toutes les
petites choses de la vie quotidienne qui m’ont permis de mener mon travail dans les meilleures
conditions.
Je ne puis pas oublier Lynda-Driad Lebeau, co-encadrante de la thèse de la part de l’INERIS. Je
la remercie pour son aide tout au long de la thèse, de son soutien et de la tolérance nécessaire
pour corriger mes textes, y compris le plus important : le mémoire de thèse.
Enfin, je souhaiterais exprimer une profonde reconnaissance pour mon directeur de thèse,
Bogdan Piwakowski, source inépuisable d’inspiration qui m’a donné goût à la recherche. Je le
remercie de m’avoir laissé une grande part d’initiative tout en ayant été un soutien de tous les
jours. J’ai tiré une grande richesse de nos discussions et j’ai appris qu’on ne peut jamais céder
devant les obstacles rencontrés dans le travail d’ingénieur.

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tel-00579842, version 1 - 25 Mar 2011tel-00579842, version 1 - 25 Mar 2011Résumé
L’objectif principal de cette thèse est de développer et optimiser les outils d’acquisition de la
technique de Sismique réflexion haute résolution (SHR) afin d’en améliorer les performances
pour la détection des cavités souterraines.
La sismique réflexion est un outil d’imagerie permettant de reconstituer la structure des couches
géologiques ainsi que leur agencement structural. Il est communément admis que cette imagerie
est d’autant plus complexe que la profondeur de la cible est faible. D’autre part, outre les
considérations purement scientifiques, des problèmes d’ergonomie et d’économie peuvent
émerger. Les travaux menés dans le cadre de ce travail de recherche devraient remédier à
certains des problèmes les plus critiques identifiés dans l’application de la SHR.
L’utilisation des sources vibratoires présente les avantages indéniables d’une non-destructivité et
du contrôle du signal émis par rapport aux sources « classiques » dites impulsionnelles et
destructives. Leur application optimale nécessite cependant de choisir habilement le type de
signal émis.
La réalisation de ces travaux de recherche a donc permis de (1) développer un système
informatique complet de pilotage d’une mini-source vibratoire destinée à l’imagerie SHR,
(2) développer une méthode de génération de signaux émis, (3) tester le fonctionnement du
système développé avec plusieurs mini-vibrateurs. En établissant un lien entre le signal d’entrée
et l’image sismique obtenue, la procédure de génération offre la possibilité à l’utilisateur
d’adapter le signal émis en fonction des conditions de terrain, de la source utilisée, et des
objectifs des mesures.
Les résultats de ces travaux ont été réunis dans un système complet de pilotage des sources
vibratoires, de génération et d’optimisation du signal source. Dans un premier temps, ce système
a été testé et validé à échelle réduite. Ensuite, il a été utilisé en conditions réelles avec l’objectif
de « détection des cavités » dans le contexte des marnières de Haute Normandie à faible
profondeur (entre 15 m et 45 m) et dans le contexte salin de Lorraine pour des anciennes mines à
plus grande profondeur (entre 160 m - 180 m).

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tel-00579842, version 1 - 25 Mar 2011tel-00579842, version 1 - 25 Mar 2011Abstract
The main objective of this thesis is to develop and optimise the acquisition tools for
High-Resolution Reflection Seismic (HRS) technique in order to improve its performances for
detection of underground cavities.
The reflection seismic is an acoustical imaging method which allows reconstruction of the
structure of geological layers as well as their structural arrangement. It is commonly admitted
that HRS imaging becomes more complicated when target depth decreases. Moreover, besides
the scientific aspects, economical and ergonomic problems specific to HRS can emerge. The
work carried out in the frame of this thesis aims to bring solutions to some of the most critical
problems identified in application of the HRS.
The vibratory sources show undeniable advantages of non destructivity and controllable output
signal when compared to “classic” (impulsive) sources. However, the optimal use of such
sources depends on the proper choice of emitted signal.
The research work carried out resulted in (1) development of a complete, computer-based
vibrator control system allowing piloting small vibratory sources, intended to use for HRS
surveys, (2) development of a method for generating the source signal, (3) extensive testing of
the developed system with several portable vibratory sources. The proposed procedure links the
entry signal with seismic image and thus allows the choice of the signal directly in the field, with
regard to the seismic source, field conditions and measurement goals.
The final result of this work is a complete portable vibrator control system associated with the
procedure of generation and optimisation of source signal. The developed system was tested and
validated in small-scale tests. Afterwards, it was used in real conditions with the goal of “cavity
detection” in chalk-mining context (ancient marl-pit quarries in the Normandy region at depths
15 m - 45 m) and in salt-mining context (old salt mines in Lorraine region at greater depths,
between 160 m and 180 m).

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