Investigation d’un karst par l’analyse conjointe de l’anisotropie sismique et électrique

• Directeurs : Hermann Zeyen, Stéphane Gaffet
• Allocation ministérielle
• Début de thèse : octobre 2010

Thèse soutenue devant le jury composé des membres suivants :

 Pr. ZEYEN Hermann (Université Paris-Sud), Directeur de thèse
 Dr. GAFFET Stéphane (UMR Geoazur, Valbonne), Co-directeur
 Pr. GUERIN Roger (Université Pierre et Marie Curie Paris 6), rapporteur
 Pr. GRANDJEAN Gilles (BRGM, Orléans), rapporteur
 Pr. TUCHOLKA Piotr (Université Paris-Sud), examinateur
 Dr. SENECHAL Guy (Université de Pau et des Pays de l’Adour), examinateur
 Dr. CHALIKAKIS Konstantinos (Université d’Avignon et des Pays de Vaucluse), examinateur

Résumé

Les résultats présentés dans ce document portent sur les anisotropies sismique et électrique d’un massif calcaire fracturé dans des galeries parallèles souterraines. Les fractures étant orientées verticalement, leurs propriétés sont approximées par isotropie transverse horizontale (HTI). Plusieurs méthodes d’inversion ont été étudié pour traiter les données sismiques (temps d’arrivée des ondes P et S) ; et pour traiter les données de résistivité électrique mesuré dans une configuration pôle-pôle (valeur de potentiel mesuré).

Pour traiter les données sismiques (quatre campagnes), les méthodes étudiées dans ce document sont : une tomographie isotrope, une approximation de cosinus, une inversion anisotrope basée sur l’algorithme Monte-Carlo pour les paramètres de la matrice de rigidité (de l’isotropie transverse horizontale) et une tomographie anisotrope pour un milieu avec une isotropie transverse inclinée. Toutes les méthodes conduisent à la conclusion qu’il y a effectivement une anisotropie présente dans le massif rocheux et confirment la direction de la vélocité maximale parallèle à la direction de la fracturation. Une forte anisotropie de 15 % est présente dans la zone étudiée.

Pour traiter les données électriques (deux campagnes), les méthodes étudiées sont une approximation de cosinus et une inversion anisotrope basée sur l’algorithme Monte-Carlo pour les paramètres de résistivité transversale ρT, de résistivité longitudinale ρL et de l’angle d’orientation du modèle par rapport au système de référence. La présence à 180° de deux maxima de résistivité apparente par rapport à l’azimut de mesure ne peuvent être modélisés par des approches conventionnelles. Une modélisation conceptuelle d’un maillage des fils conducteurs dans un milieu non conducteur a été développé et montre des résultats prometteurs, avec le succès de la modélisation des deux maxima.

Des mesures répétées montrent de légères variations de résistivité apparentes et des variations des ondes P. Les variations des ondes S ne sont pas prononcés, ce qui reflète un changement de la saturation en eau. La porosité de 10-15% est estimé à partir des mesures sismiques.

Mots clés : anisotropie, anisotropie transverse horizontale, anisotropie sismique, anisotropie de résistivité électrique, inversion, LSBB

Abstract

Seismic and electrical resistivity anisotropies of a fractured karstic limestone massif in sub-parallel underground galleries are studied. As the fractures are mostly vertically oriented, the seismic properties of the massif are approximated by horizontal transverse isotropy (HTI). Several data inversion methods were applied to a seismic datasets of arrival-times of P and S-waves and a resistivity datasets of electrical potential measurements in a pole-pole configuration.

For the seismic datasets (four campaigns), the applied methods include : isotropic tomography, approximative cosine function fit, homogeneous Monte-Carlo anisotropic inversion for the parameters of the stiffness matrix of horizontal transverse isotropy and anisotropic tomography for tilted transversely isotropic bodies. All methods lead to the conclusion that there is indeed an anisotropy present in the rock massif and confirm the direction of maximum velocity parallel to the direction of fracturing. Strong anisotropy of about 15% is found in the studied area.

For the resistivity datasets (two campaigns), the applied methods include approximative cosine function fit, homogeneous Monte-Carlo anisotropic inversion for the longitudinal resistivity ρL, transversal resistivity ρT and angle of orientation of model with respect to the reference system. Two maxima of apparent resistivities with respect to the azimuth of measurement over 180° are found in the data, which cannot be modelled by conventional approaches. A conceptual modelling of a network of conductive wires in a non-conductive medium shows promising results, where the two maxima were successfully modelled.

Repeated measurements show slight variations of apparent resistivity and variations of the P-wave parameters. The variations of the S-wave parameters are not pronounced, which is reflecting a change in water saturation. Porosity of 10-15 % is estimated from the seismic measurements.

Keywords : anisotropy, horizontal transverse anisotropy, seismic anisotropy, electrical, resistivity anisotropy, inversion, LSBB