33
0 Détection de cavités souterraines par ondes de surface à Châlons-en-Champagne (Marne) Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM 2001-MET-001 novembre 2001 BRGM/RP-51294-FR

Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

0

Détection de cavités souterraines par ondesde surface à Châlons-en-Champagne (Marne)

Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM 2001-MET-001

novembre 2001BRGM/RP-51294-FR

Page 2: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités souterraines par ondesde surface à Châlons-en-Champagne (Marne)

Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM 2001-MET-001

G. Grandjeanavec la collaboration de

A. Bitri, G. Richalet, C. Crouzeix, D. Batkowski

novembre 2001BRGM/RP-51294-FR

Page 3: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

2 BRGM/RP-51294-FR

Mots clés : Sismique, Ondes de surface, Châlons-en-Champagne, Cavités.

En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante

Grandjean G. avec la collaboration de Bitri A., Richalet G., Crouzeix C., Batkowski D.(2001) - Détection de cavités souterraines par ondes de surface à Châlons-en-Champagne (Marne). BRGM/RP-51294-FR, 31 p., 19 fig.

© BRGM, 2001, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.

Page 4: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 3

Synthèse

ne acquisition sismique a été réalisée à la demande de la Communautéd’Agglomération de Châlons-en-Champagne afin de tester la sismique en onde de

surface pour la détection des cavités souterraines. Les deux sites sélectionnés dansl'agglomération contiennent des cavités creusées dans la craie entre 10 et 15 m deprofondeur. Un profil sismique a été réalisé sur chacun des sites.

Le dispositif de mesure était respectivement constitué de 88 et de 55 points de tir pourles profils 1 et 2, chaque tir comprenant 48 canaux d'enregistrement. La source étaitconstituée d'une chute de poids automatique de type Vakimpack. Les géophones utilisésétaient des capteurs à composante verticale centrés sur 10 Hz.

La chaîne de traitements utilisée contient les étapes suivantes :

- calcul des courbes de dispersion pour chaque tir en évaluant la vitesse de phase à partirdes diagrammes de dispersion ;

- calcul et application des corrections dynamiques. On tient cependant compte ici de laspécificité des ondes de surface, qui ont une vitesse variant avec la fréquence, enappliquant une correction de type Dynamical Linear Move Out (DLMO) ;

- mise en collection des points milieux communs (CMP) ;

- sommation des traces pour produire la section stack en temps ;

- convolution par un signal sweep de façon à produire une coupe en pseudo-profondeur.

Pour les deux sites, les plans de localisation des cavités connues ont permis d'estimer lesperformances de la méthode. Pour le site 1, les hétérogénéités de surface nous ontconduits à interpréter une section en offsets communs plutôt que la section sommée. Ony remarque des anomalies relatives à la zone superficielle, mais aussi d'autres quipourraient correspondre aux cavités connues dans ce secteur. Pour le site 2, la faibleprofondeur de pénétration, probablement due à la présence de la couche superficielle deremblais, ne nous permet pas de détecter les cavités.

En conclusion, l'utilisation de cette méthode pour détecter les cavités dans le contextede Châlons-en-Champagne n'est conseillée que pour des cavités superficielles, situéesentre 5 et 10 m de profondeur, et pour lesquelles le terrain de surface est exempt deremblais ou de couche aménagée hétérogène.

U

Page 5: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

4 BRGM/RP-51294-FR

Sommaire

1. Introduction ................................................................................................................ 7

1.1. Cadre de l'étude ......................................................................................................... 7

1.2. Présentation simplifiée .............................................................................................. 7

1.3. Problématique............................................................................................................ 9

2. Les sites de mesure ................................................................................................... 11

2.1. Situation................................................................................................................... 11

2.2. Contexte géologique ................................................................................................ 11

3. Mise en œuvre ........................................................................................................... 13

3.1. Dispositif de mesure ................................................................................................ 13

3.2. Traitement................................................................................................................ 13

4. Résultats et recommandations................................................................................. 17

4.1. Site 1 ........................................................................................................................ 17

4.2. Site 2 ........................................................................................................................ 23

5. Conclusions ............................................................................................................... 29

Bibliographie................................................................................................................. 31

Page 6: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 5

Liste des figures

Fig. 1 - Mouvement des particules pour les ondes de Rayleigh et de Love ..................8

Fig. 2 - Situation géographique de Châlons-en-Champagne .......................................11

Fig. 3 - Profils de mesures n° 1 (a) et n° 2 (b) - 1/4 000 .............................................12

Fig. 4 - Source de type « chute de poids » utilisée ......................................................14

Fig. 5 - Géophone 10 Hz fixé à la chaussée par un piton ............................................14

Fig. 6 - Exemple de tir enregistré le long du profil 1 ..................................................17

Fig. 7 - Diagramme de dispersion correspondant au tir de la figure 6.La courbe de dispersion est soulignée en noir ................................................18

Fig. 8 - Tir de la figure 6 corrigé par correction DLMO .............................................19

Fig. 9 - Collection CMP ..............................................................................................19

Fig. 10 - Profil stack. L’ellipse rouge montre l’effet de la mauvaise qualité dela sommation sur des traces voisines ..............................................................20

Fig. 11 - Section à offset commun (54 m) .....................................................................21

Fig. 12 - Signal sweep ...................................................................................................21

Fig. 13 - Section convoluée. Les polygones soulignent les zones atténuées.L’emplacement des cavités est indiqué...........................................................22

Fig. 14 - Loi de conversion temps-profondeur sur le site 1...........................................22

Fig. 15 - Exemple de tir sur le site 2..............................................................................24

Fig. 16 - Exemple de courbe de dispersion sur le site 2 ................................................24

Fig. 17 - Profil stack du site 2........................................................................................25

Fig. 18 - Profil convolué. La ligne jaune souligne la présence du recouvrement..........26

Fig. 19 - Loi de conversion temps-profondeur sur le site 2...........................................26

Page 7: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

6 BRGM/RP-51294-FR

Page 8: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 7

1. Introduction

1.1. CADRE DE L'ÉTUDE

Cette étude a été réalisée dans le cadre d’un partenariat avec la Communautéd’Agglomération de Châlons-en-Champagne (convention du 3/01/2001). Elle se placedans le cadre du projet de recherche « Détection des cavités souterraines par méthodesgéophysiques » dont l'un des objectifs est de définir les capacités des méthodessismiques pour caractériser les zones présentant des cavités souterraines superficielles.

Dans un premier temps, le BRGM a conduit de 1999 à mi-2000 un inventaire descavités souterraines afin de réaliser des cartes d'aléas (Laville et al., 2000). La méthodeutilisée lors de cet inventaire fait appel à des informations géologiques,hydrogéologiques, des archives, et à des règles d'exploitations souterraines. Pour affinerlocalement le diagnostic, les méthodes géophysiques peuvent être utilisées pourapporter des données nouvelles sur la présence de cavités ou de désordres superficiels.

La méthode mise en œuvre par le BRGM utilise les ondes de surface afin de localiserles zones mécaniquement absorbantes - telles que les terrains décompactés et lescavités - ou les zones mécaniquement rigides - telles que les maçonneries et les blocsindurés enfouis. Dans le premier cas, les ondes de surface subissent une atténuation,alors que dans le second cas elles sont diffractées. La profondeur d'auscultation dépenddu terrain ausculté mais est généralement comprise entre 0 et 15 m ; cette méthode estdonc dédiée aux problématiques superficielles. A cause de la variabilité des propriétésphysiques du sous-sol, la profondeur d'investigation peut varier d'un point à l'autre, et ildevient nécessaire de multiplier les tests sur différents sites connus afin d'évaluer lesperformances de la méthode. C'est dans ce contexte que les tests de Chalons-en-Champagne ont été réalisés.

Les deux sites sélectionnés dans l'agglomération de Châlons-en-Champagne contiennentdes cavités creusées dans la craie entre 10 et 15 m de profondeur. Les cavités étantrépertoriées et bien localisées, la corrélation entre les anomalies sismiques et les plansde positionnement des cavités est possible. Par ailleurs, la détection de telles cavitéscorrespond à un besoin en matière de prévention et d'aménagement urbain.

Dans la suite de ce rapport, nous présentons une approche simplifiée de la méthodologiemise en œuvre, les caractéristiques des deux sites, le dispositif de mesure déployé sur leterrain et les traitements effectués sur les données ainsi que les résultats obtenus.

1.2. PRÉSENTATION SIMPLIFIÉE

La théorie de l'élasticité indique que dans un milieu homogène et infini, seules les ondesP - ou ondes de compression - et les ondes S - ou onde de cisaillement - se propagent ;par contre, si l'on considère un milieu limité par une surface libre, il existe d'autres

Page 9: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

8 BRGM/RP-51294-FR

ondes qui se propagent au voisinage de cette surface, on les appelle sous le nomgénérique d'onde de surface. Celles-ci ont une énergie beaucoup plus grande que celledes ondes P et S, et sont, de ce fait, nettement visibles sur les enregistrements sismiques.En sismique réflexion, on cherche à éliminer le bruit causé par ces ondes, le ground-roll, qui masque les informations apportées par les ondes P sous forme de réflexions ;dans cette étude, nous utiliserons en revanche les ondes de surface pour étudier la partiesuperficielle du sous-sol.

Ces ondes pénètrent peu mais sont, du fait de leur grande énergie, intéressantes pourcaractériser la subsurface. Elles se divisent en deux groupes : les ondes de Rayleigh etde Love.

Fig. 1 - Mouvement des particules pour les ondes de Rayleigh et de Love.

Chacune de ces ondes a un mouvement particulaire différent (fig. 1). Les ondes deRayleigh se propagent dans le plan normal à la surface libre qu'est le sol dans unmouvement elliptique rétrograde. Les ondes de Love se propagent dans un planparallèle au sol dans un mouvement transverse. Pour des raisons pratiques - générationdu signal source, mesure par des géophones à composante verticale - nous n'étudieronsici que les ondes de Rayleigh.

Dans un milieu stratifié horizontalement, dans lequel chaque couche a une vitesse depropagation différente, ces ondes sont appelées pseudo-Rayleigh. La caractéristiquefondamentale de ces ondes c'est d'être dispersives : chaque fréquence de l'onde sepropageant à des vitesses différentes.

Ainsi, le train d'onde se déforme au cours de la propagation. Il y a une séparation entrece que l'on appelle vitesse de phase et vitesse de groupe : la vitesse de groupecorrespondant à la vitesse de l'enveloppe du train d'onde, et la vitesse de phase à ladistance parcourue par unité de temps d'un point à phase constante de l'onde.

Page 10: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 9

1.3. PROBLÉMATIQUE

L'objectif de cette étude est de connaître les performances de la sismique en onde desurface pour caractériser le sous-sol lorsqu'il est soumis à la présence de cavitéssouterraines et des désordres qui y sont liés.

Des études précédentes ont démontré que les ondes de Rayleigh pouvaient être affectéespar la présence d'hétérogénéités dans le sous-sol (Leparoux et al., 2000), comme parexemple les cavités souterraines. La méthode développée au BRGM, utilise ces ondesafin de localiser les zones mécaniquement absorbantes - telles que les terrainsdécompactés et les cavités - ou les zones mécaniquement rigides - telles que lesmaçonneries et les blocs indurés. Dans le premier cas, les ondes de surface sontatténuées, alors que dans le second cas, elles sont diffractées.

Mais pour que la cavité affecte de façon visible la propagation de ces ondes, il fautrespecter deux conditions. D'une part, la cavité ne doit pas être trop profonde car lesondes de Rayleigh s'amortissent exponentiellement avec la profondeur. D'autre part, lerapport de la dimension de la cavité sur la longueur d'onde se propageant à laprofondeur de cette cavité ne doit pas être trop faible. Les performances des ondes deRayleigh à interagir avec une cavité dépend donc non seulement de la dimension et dela profondeur de la cavité, mais aussi de la nature des terrains encaissants, puisque c'esteux qui conditionnent la vitesse de propagation de l'onde, et donc sa longueur d'onde.

Dans le cadre de cette étude, nous testerons la validité de cette méthode pour les cavitésde Châlons-en-Champagne. Les cavités étant répertoriées et bien localisées, lacorrélation entre les anomalies sismiques et les plans de positionnement des cavités serautilisée.

Page 11: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

10 BRGM/RP-51294-FR

Page 12: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 11

2. Les sites de mesure

2.1. SITUATION

Les mesures on été réalisées sur deux zones de la commune de Châlons-en-Champagne(fig. 2) situées dans la zone Rive Gauche (Laville et al., 2000). Les deux sitessélectionnés sont situés au sud et au nord de cette zone, et représentent chacun descontextes d'exploitation différents : une carrière souterraine de craie pour le site 1, etune série de galeries de stockage de champagne pour le site 2.

Fig. 2 - Situation géographique de Châlons-en-Champagne.

2.2. CONTEXTE GÉOLOGIQUE

Les profils ont été implantés à l'aplomb de cavités connues et répertoriées sur la carted'aléa réalisée par le BRGM (Laville et al., 2000). Sur ces cartes, la couleur jaune donnela limite des zones exploitées (fig. 3).

Ces cavités se scindent en deux groupes : les carrières d'exploitation de la craie enchambre pyramidale de type catiche, et les crayères organisées en réseaux de galeriesaérées par des essorts. Suivant leur localisation géographique par rapport à la vallée dela Marne, ces cavités peuvent se situer dans la zone phréatique. Le recouvrement desurface semble faible, de l'ordre de quelques mètres, et se limite soit à une couched'altération en milieu rural, soit à la zone aménagée en milieu urbain.

Page 13: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

12 BRGM/RP-51294-FR

Site 1

Le profil 1 est implanté dans le Chemin du Télégraphe (fig. 3a). Il est orienté du sudvers le nord sur approximativement 250 m de long, et recoupe une rue dans son premiertiers. Celui-ci ne contient pas de cavité, alors que les deux derniers tiers surplombent lazone exploitée. Celle-ci comprend une série de caves de type catiche,approximativement localisées entre 7 et 15 m de profondeur, et pouvant être reliéesentre elles par des couloirs. On notera la forte urbanisation de ce site.

Site 2

Le profil 2, orienté sud-nord, est situé à l'aplomb du réseau de galeries utilisées parJ. Perrier pour le stockage du champagne. Ces galeries de 3,5 à 5 m de largeur sontsituées entre 10 et 15 m de profondeur. Des essorts permettent une ventilation avec lasurface. Ce profil d'une longueur de 100 m est implanté de façon à ce qu'il croise deuxgaleries dans son dernier tiers. Celles ci sont repérées par une bande jaune sur la figure 3b.

a) b)Fig. 3 - Profils de mesures N°1 (a) et N°2 (b) - 1/4000.

N

N

Page 14: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 13

3. Mise en œuvre

3.1. DISPOSITIF DE MESURE

Le dispositif de mesure était respectivement constitué de 88 et de 55 points de tir pourles profils 1 et 2, chaque tir comprenant 48 canaux d'enregistrement. La source étaitconstituée d'une chute de poids automatique de type Vakimpack (fig. 4). Les géophonesutilisés étaient des capteurs à composante verticale centrés sur 10 Hz (fig. 5). Lescaractéristiques du dispositif utilisé sont résumées ci-après :

- distance source - 1er géophone : 10 m ;- distance entre les tirs : 2 m ;- distance entre les traces : 2 m ;- canaux 1 à 48 : enregistrement du signal ;- temps d'écoute : 1 s ;- fréquence centrale des géophones : 10 Hz.

Sur le site 1, dit du télégraphe, le dispositif croisait perpendiculairement une rue dansson premier tiers. Ceci nous a obligés à déployer deux flûtes de 24 géophones de part etd'autre de la rue, créant une absence de donnée sur environ 5 m au centre du dispositif.Deux embrayages de 24 géophones furent nécessaires pour réaliser les 220 m de profil.Sur le site 2, limité latéralement par des constructions, l'espace disponible pour déployerle dispositif était de 100 m environ. Un dispositif de 48 traces a donc été implanté sansembrayage. Pour chacun des deux dispositifs, des tirs déportés ont été réalisés, de façonà déborder légèrement du dispositif en début et en fin de profil.

3.2. TRAITEMENT

Nous utilisons les caractéristiques des ondes de surface décrites dans la partieprécédente pour détecter les cavités. Afin d'améliorer le rapport signal-sur-bruit, nousavons réalisé comme en sismique réflexion une succession de tirs. Ces derniers sontensuite traités indépendamment et sommés en point milieu communs (CMP) de façon àobtenir un profil sommé dit stack.

La chaîne de traitements utilisée contient les étapes suivantes :

- calcul des courbes de dispersion pour chaque tir en évaluant la vitesse de phase à partirdes diagrammes de dispersion (Mc Mechan and Yeldin, 1981; Bitri et al., 1998) ;

- calcul et application des corrections dynamiques. On tient cependant compte ici de laspécificité des ondes de surface, qui ont une vitesse variant avec la fréquence, enappliquant une correction de type Dynamical Linear Move Out (DLMO) ;

- mise en collection des points milieux communs (CMP) ;

- sommation des traces pour produire la section stack en temps ;

- convolution par un signal sweep de façon à produire une coupe en pseudo-profondeur.

Page 15: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

14 BRGM/RP-51294-FR

Fig. 4 - Source de type « chute de poids » utilisée.

Fig. 5 - Géophone 10 Hz fixé à la chaussée par un piton.

Pour l'interprétation, nous montrerons et commenterons les documents suivants :

- un tir. Il s'agit de la collection des signaux enregistrés par l'ensemble des géophonesaprès déclenchement de la source située à une position donnée le long du profil ;

- un diagramme de dispersion. Il indique pour chaque tir l'évolution de la vitesse dephase en fonction de la fréquence ;

Page 16: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 15

- le profil stack. Il montre le long du profil le signal rétropropagé à la source aprèsréduction vers l'offset nul ;

- le profil convolué avec le sweep. Il donne pour chaque position CMP le signal répartile long de l'axe vertical en fonction de sa fréquence : les premières oscillations sonthautes fréquences (se propageant en surface) et les dernières plus basses fréquences(se propageant en profondeur). La relation liant la profondeur à la fréquence ne peutpas être estimée à partir d'une loi simple et linéaire. Cependant, des indications deprofondeurs sont données à titre indicatif à partir de la loi empirique suivante et de lacourbe de dispersion :

profondeur (m) = Vitesse de phase (m/s) x fréquence (Hz) x C

Le coefficient C, défini empiriquement, est généralement compris entre 0,3 et 0,6. Nousutiliserons ici la valeur moyenne de 0,4.

Page 17: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

16 BRGM/RP-51294-FR

Page 18: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 17

4. Résultats et recommandations

Les résultats des mesures réalisées sur les deux sites ainsi que l'analyse respective desdifférents documents sont présentés successivement.

4.1. SITE 1

La figure 6 montre un exemple de tir acquis le long du premier profil de mesure. Ondistingue nettement l'arrivée progressive des ondes de surface le long du dispositif. Onn'observe pas d'ondes diffractées mais des atténuations localisées ou des sauts de phasesemblent souligner la complexité du milieu.

Fig. 6 - Exemple de tir enregistré le long du profil 1.

Le diagramme de dispersion (fig. 7) permet d'identifier la courbe de vitesse de phase enfonction de la fréquence. On distingue ici trois modes dispersifs de propagation. Lemode fondamental est prépondérant de 5 jusqu'à 40 Hz pour des vitesses allant de1 100 m/s à 750 m/s, le deuxième affecte les fréquences de 40 à 80 Hz pour desvitesses allant de 1 500 m/s à 1 100 m/s et le troisième touche les plus hautes fréquencespour des vitesses de l'ordre de 1 900 m/s.

L'apparition des modes supérieurs est une difficulté supplémentaire dans le traitementqui va suivre car la courbe de dispersion qui va servir à corriger chaque tir s'en trouveaffectée par des variations brutales lors du passage d'un mode à l'autre.

Page 19: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

18 BRGM/RP-51294-FR

La courbe de dispersion digitalisée à partir du diagramme permet d'appliquer lescorrections dynamiques DLMO au tir afin d'obtenir le tir corrigé (fig. 8). Sur ce dernier,les trains d'ondes forment des alignements horizontaux qui vont être sommés, après lamise en collection CMP, afin d'améliorer le rapport signal sur bruit.

Fig. 7 - Diagramme de dispersion correspondant au tir de la figure 6. La courbe dedispersion est soulignée en noir.

Il est important de noter que sur la figure 9 les événements sismiques ne sont pasparfaitement alignés selon l'horizontale comme cela devrait être si le terrain étaitlatéralement homogène. La conséquence de cette difficulté va entraîner une mauvaisesommation des traces du CMP. Cette sommation de chaque collection CMPcorrespondant à une trace sur la section stack, la qualité de la section finale en sera doncaffectée (fig. 10). On remarque en effet sur le stack des indices de mauvaise sommation,comme par exemple le déphasage existant sur des traces voisines et souligné sur lafigure par l'ellipse rouge.

Puisque le stack paraît non exploitable, nous allons essayer d'utiliser l'informationcontenue sur des sections à offset commun, c'est-à-dire l'ensemble des traces ayant lemême déport entre la source et le récepteur (fig. 11).

Page 20: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 19

Fig. 8 - Tir de la figure 6 corrigé par correction DLMO.

Fig. 9 - Collection CMP.

Page 21: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

20 BRGM/RP-51294-FR

Fig. 10 - Profil stack. L'ellipse rouge montre l'effet de la mauvaise qualité de lasommation sur des traces voisines.

La figure 11 nous montre très bien les variations en temps d'arrivée du train d'onde deRayleigh le long de la section à offset commun (ligne rouge). Normalement, si le terrainétait latéralement homogène, le temps d'arrivée serait constant le long de cette section.Puisque nous avons préservé la qualité du signal en évitant la sommation, nousappliquons à la section résultante la convolution par un sweep (fig. 12) qui aura poureffet de décomposer le signal suivant l'axe des fréquences, et donc suivant des pseudo-profondeurs.

La figure 13 montre le résultat de cette transformation qui a utilisé la loi empirique deconversion illustrée par la figure 14. Les zones colorées en vert sont celles où lapropagation a été atténuée ou a été perturbée localement par une variation brusque desparamètres physiques du sous-sol. On retrouve sur cette section un certain nombred'anomalies qui vont être maintenant interprétées.

Page 22: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 21

Fig. 11 - Section à offset commun (54 m).

Fig. 12 - Signal sweep.

Page 23: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

22 BRGM/RP-51294-FR

Fig. 13 - Section convoluée. Les polygones soulignent les zones atténuées.L'emplacement des cavités connues est indiqué.

Fig. 14 - Loi de conversion temps-profondeur sur le site 1.

Page 24: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 23

- anomalies superficielles (jaune - 0 - 3 m): la cause de ces anomalies est superficiellecar elles affectent les hautes fréquences, c'est-a-dire globalement l'espace 0 - 3 m.Elles se situent dans une gamme de profondeur qui concerne les terrains derecouvrements comme par exemple la zone aménagée ou la zone altérée. Ce typed'anomalie apparaît lors de variations latérales de la vitesse de cisaillement liées parexemple à la présence de remblais ou de dégradations du type décompaction,infiltration d'eau, etc. ;

- anomalies peu profondes (cyan - 2 - 5 m) : La cause de ces anomalies n'est pasclairement identifiée. Elle pourrait provenir soit d'une cause superficielle commedécrit précédemment, soit de la présence d'une cheminée de cavité arrivant jusqu'àcette profondeur ;

- anomalies profondes (bleu - 4 - 20 m) : ce sont ces anomalies qui semblent secorréler le mieux à la présence de cavités ou de cheminées, à cause de la profondeur àlaquelle elles apparaissent et de leur caractère localisé.

Une remarque concernant l'anomalie soulignée en blanc : celle-ci est très étalée, etaffecte le premier quart (0 à 50 m) du profil. Les observations réalisées sur le terrainlors des mesures nous indiquent que le sol situé dans cette première partie a uneconstitution différente du reste du profil. En effet, ces terrains ont été construits etaménagés récemment ; le changement de signal entre les deux parties du profil seraitdonc lié aux changements de propriétés du sous-sol, et non à la présence de cavités, quine sont d'ailleurs pas recensées à cet endroit.

L'expérience du site 1 nous permet donc de constater que des anomalies existent dansles sections finales. Certaines d'entre elles peuvent être reliées à la présence de cavités,mais des artefacts existent néanmoins et brouillent la qualité de l'interprétation. Ceux-citrouvent leur origine dans plusieurs causes :

- la forme en bouteille des catiches ne permet de les localiser que lorsque le profil passevraiment au-dessus; si celui-ci est légèrement déporté, l'anomalie s'en trouvediminuée ;

- la variabilité du terrain de surface entraîne des changements latéraux brusques de lavitesse de cisaillement, ce qui affecte la qualité du traitement - surtout lors de lasommation - où l'on suppose le terrain stratifié du moins sur la longueur du dispositif ;

- la bande passante du signal qui se propage dans le sol, couplée à la vitesserelativement élevée des ondes de surface limite l'auscultation à environ 10 à 15 mdepuis la surface. L'onde n'interagit donc qu'avec la partie supérieure des cavités, cequi limite l'amplitude des anomalies.

4.2. SITE 2

Sur le site 2, la propagation du train d'onde semble plus régulière (fig. 15) et moinscomplexe. On observe en effet sur la figure 16, représentant le diagramme dedispersion, que seulement deux modes sont présents, et que le mode fondamental estprépondérant. Après analyse des tirs, de la dispersion, et des collections CMP, nousavons choisi d'utiliser le traitement conventionnel afin de réaliser une section stack.

Page 25: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

24 BRGM/RP-51294-FR

Fig. 15 - Exemple de tir sur le site 2.

Fig. 16 - Exemple de courbe de dispersion sur le site 2.

Page 26: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 25

Fig. 17 - Profil stack du site 2.

La section stack de la figure 17 montre cette fois-ci un signal sommé plus régulier, enphase et presque dépourvu de variations en temps de propagation. Le milieu sembledonc plus homogène sur ce site qu'il n'était sur le site 1.

Cette section a été convoluée par le même signal sweep décrit précédemment de façon àinterpréter une coupe en pseudo-profondeur (fig. 18). De même, la conversion temps-profondeur a été réalisée grâce à une loi empirique dérivée de l'étude de la dispersion(fig. 19).

Cette section finale montre des anomalies qui semblent avoir deux origines différentes.Les premières, soulignées en jaune, ont une origine très superficielle. Elles affectent lasection sur une profondeur allant de 0 à 4 m et trouve probablement leur origine dans lacouche de recouvrement, constituée de remblais et de branchages.

Le second type d'anomalie est repéré en blanc le long du profil. Il concerne des zones sesituant entre 5 et 7 m de profondeur, et qui pourraient correspondre à des niveauxd'altération de la craie. On notera toutefois que l'onde a une pénétration bien inférieureque celle observée sur le site 1 car elle ne se propage pas au-delà de 7 à 8 m. Il devientdifficile dans ce cas de détecter les cavités.

Page 27: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

26 BRGM/RP-51294-FR

Fig. 18 - Profil convolué. La ligne jaune souligne la présence du recouvrement.

Fig. 19 - Loi de conversion temps-profondeur sur le site 2.

Page 28: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 27

Les limitations de la méthode sur le site 2 ne semblent pas liées à l'hétérogénéité desterrains superficiels, mais plutôt à la présence du remblais de surface qui agit ici commeune couche absorbante limitant la pénétration de l'onde. Avec une profondeur depénétration de l'ordre de 7 m, les cavités ne sont pas détectées. En revanche, desanomalies situées entre 5 et 7 m de profondeur pourraient être dues à des zones altéréessituées dans la partie supérieure du banc crayeux.

Page 29: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

28 BRGM/RP-51294-FR

Page 30: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 29

5. Conclusions

ette étude avait pour but d'utiliser les méthodes d'auscultation géophysique afin dedétecter la présence de cavités souterraines dans la Communauté de Communes de

Châlons-en-Champagne. La méthode sismique mise en œuvre utilise les ondes desurface afin de localiser les zones mécaniquement absorbantes, telles que les terrainsdécompactés et les cavités.

Les deux sites étudiés sont situés dans la zone Rive Gauche de la commune de Châlons-en-Champagne. Pour le premier et le second site, des profils sismiques de 220 et de100 m respectivement ont été déployés. Le premier présente une série de cavités de typecatiches, de 10 m de diamètre environ, situées entre 7 et 15 m de profondeur. Le secondsite présente deux galeries presque parallèles, de 5 m de largeur, et situées entre 10 et15 m de profondeur.

Le dispositif de mesure était respectivement constitué de 88 et de 55 points de tir pourles profils 1 et 2, chaque tir comprenant 48 canaux d'enregistrement. La source étaitconstituée d'une chute de poids automatique de type Vakimpack. Les géophones utilisésétaient des capteurs à composante verticale centrés sur 10 Hz. Le traitement a consisté àanalyser les courbes de dispersion, et quand cela a été possible à réaliser une sommationen point milieu commun de façon à améliorer le rapport signal sur bruit.

Pour les deux sites, les plans de localisation des cavités connues ont permis d'estimer lesperformances de la méthode. Pour le site 1, les hétérogénéités de surface nous ontconduits à interpréter une section en offset communs. On y remarque des anomaliesrelatives à la zone superficielle, mais aussi d'autres qui pourraient correspondre auxcavités connues dans ce secteur. Pour le site 2, la faible profondeur de pénétration,probablement due à la présence de la couche superficielle de remblais, ne nous permetpas de détecter les cavités.

En conclusion, l'utilisation de cette méthode pour détecter les cavités dans le contextede Châlons-en-Champagne n'est conseillée que pour des cavités superficielles, situéesentre 5 et 10 m de profondeur, et pour lesquelles le terrain de surface est exempt deremblais ou de couche aménagée hétérogène.

C

Page 31: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

30 BRGM/RP-51294-FR

Page 32: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

Détection de cavités par sismique en ondes de surface à Châlons-en-Champagne

BRGM/RP-51294-FR 31

Bibliographie

Laville P., Batkowski D., Matton Ch. (2000) - Etude des aléas liés aux cavitéssouterraines de la Communauté d'Agglomération de Châlons-en-Champagne(Marne). BRGM/RP-50255-FR, 26 p.

Bitri A., Le Bégat S., Baltassat J.M. (1998) - Shear-wave velocity determination of soilsfrom in-situ Rayleigh waves measurements. 4th Meeting of the EEGS-ES, Proceedingp. 503-506, Barcelona (Spain).

Leparoux D., Bitri A., Grandjean G. (2000) - Underground cavities detection usingseismic Rayleigh waves. JEEG, 5, 33-53.

Mc Mechan G. A., Yeldin M.J. (1981) - Analysis of dispersive waves by wave fieldtransformation. Geophysics, Vol 46, N° 6, p. 869-874, 7 fig.

Page 33: Détection de cavités souterraines par ondes de surface …infoterre.brgm.fr/rapports/RP-51294-FR.pdf · Etude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM

BRGMSERVICE AMÉNAGEMENT ET RISQUES NATURELS

Unité Mesure, reconnaissance, surveillanceBP 6009 - 45060 Orléans cedex 2 - France - Tél. : 33 (0)2 38 64 34 34