GIS

1. 1/39
3 juillet 2007
Étude des éboulements
rocheux
par méthodes géophysiques
Thèse présentée par
Jacques Deparis
Directeurs de thèse : Stéphane GARAMBOIS - Denis JONGMANS

2. 2/39
3 juillet 2007
1. Introduction
Définition
Zone de départ
Dépôt
Monestier de Clermont

3. 3/39
3 juillet 2007
Introduction
D’après Frayssines (2005)
 Localisation
• Configurations typiques
d’instabilités
 Rupture
• Approche géomécanique
• Approche historique
 Propagation
• Intensité du phénomène
• Modélisations mécaniques
Problématique

4. 4/39
3 juillet 2007
1.Introduction
Pour la détection et la localisation des
fractures (géométrie)
Pour la caractérisation physique des
fractures
• Nature du remplissage, ouverture ?
Pour une classification
instrumentale des éboulements
Pour une analyse dynamique de
la rupture-propagation
Apport du Radar géologique
Apport des enregistrements sismologiques
ouverte (air)
ponts rocheux
remplissage ?

5. 5/39
3 juillet 2007
 Imagerie du réseau de fracture par mesures
géophysiques
• Le rocher du Midi
• Les gorges de la Bourne
 Caractérisation des fractures par sensibilité
fréquentielle et angulaire des ondes EM
• Approche couche mince
• Méthodologie d’inversion des courbes APVO - validation
• Application sur des signaux acquis sur des falaises
 Étude dynamique d’éboulements
• Analogie entre les paramètres mécaniques/sismologiques
• Analyses dynamiques des signaux sismologiques
• Modélisation des sources
 Conclusions & Perspectives
Sommaire

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3 juillet 2007
Sommaire
 Imagerie du réseau de fracture par mesures
géophysiques
• Le rocher du Midi
• Les gorges de la Bourne
 Caractérisation des fractures par sensibilité
fréquentielle et angulaire des ondes EM
• Approche couche mince
• Méthodologie d’inversion des courbes APVO - validation
• Application sur des signaux acquis sur des falaises
 Étude dynamique d’éboulements
• Analogie entre les paramètres mécaniques/sismologiques
• Analyses dynamiques des signaux sismologiques
• Modélisation des sources
 Conclusions & Perspectives

7. 7/39
3 juillet 2007
Grenoble
2.Imagerie de la fracturation
• Rocher du Midi (V=50000 m3) (Deparis et al, soumis)
• Gorges de la Bourne (V=2000 m3) (Deparis et al, Engineering geology, 2007)
Les sites de mesures
50
m

8. 8/39
3 juillet 2007
2.Imagerie de la fracturation
5m
0
Fracture
principale
F2
F1
P1
P2
 Objectif
• Imager la continuité de la
fracturation
 Reconnaissances
• 2 profils réflexion
• 1 profil CMP (P2)
• 2 forages destructifs (P2)
Site des gorges de la Bourne

9. 9/39
3 juillet 2007
2.Imagerie de la fracturation
CMP : antenne 200 MHz
Temps
(ns)
Temps
(ns)
Profondeur
(m)
Vitesse NMO
(cm/ns)
Vitesse d’intervalle
(cm/ns)
Distance Émetteur/Récepteur (m)
Analyse de vitesse (CMP)
Pointé des ondes directes
Analyse de semblance
• Vitesse NMO
Vitesses d’intervalles (Dix, 1955)
• Profil de vitesse en profondeur
• Conversion des profils temps/profondeur

10. 10/39
3 juillet 2007
Antenne 500 MHz
 Traitements
• Filtre passe bande
• AGC
• Correction statique
• Conversion
temps/profondeurs
P1 P2
2.Imagerie de la fracturation
Pourcentage
linéaire de pont
rocheux faible (8 %)
Pourcentage linéaire
de pont rocheux : 18 %
Profils radar verticaux
Route Route

11. 11/39
3 juillet 2007
2.Imagerie de la fracturation
Profondeur
(m)
Forage S1
(diagraphie instantanée)
Trace correspondante
(500 MHz)
Vitesse de rotation
instantanée normalisée
Amplitude
Validation des profils

12. 12/39
3 juillet 2007
2.Imagerie de la fracturation
Conclusions
•La combinaison entre les acquisitions Lidar, GPR et les
relevés structuraux s’est avérée efficace pour la
reconnaissance d’un site
•Le radar géologique permet d’estimer le pourcentage de
ponts rocheux pour évaluer la stabilité de l’aléa
•Les vitesses des ondes EM ont pu être caractérisées à
l’aide d’acquisition CMP
•Les mesures ont été validées par des sondages
mécaniques et par observation de la paroi après minage

13. 13/39
3 juillet 2007
Sommaire
 Imagerie du réseau de fracture par mesures
géophysiques
• Le rocher du Midi
• Les gorges de la Bourne
 Caractérisation des fractures par sensibilité
fréquentielle et angulaire des ondes EM
• Approche couche mince
• Méthodologie d’inversion des courbes APVO - validation
• Application sur des signaux acquis sur des falaises
 Étude dynamique d’éboulements
• Analogie entre les paramètres mécaniques/sismologiques
• Analyses dynamiques des signaux sismologiques
• Modélisation des sources
 Conclusions & Perspectives

14. 14/39
3 juillet 2007
3. Caractérisation physique de la fracture
Couche mince
Onde EM
?
d<λf/2
Onde EM
d>λf/2
Fracture épaisse
2 ondes réfléchies distinctes 1 onde réfléchie apparente
d > l/2
• 2 réflexions (Vint)
d < l/2
• Signal complexe = couche mince
Approche de type couche mince

15. 15/39
3 juillet 2007
3. Caractérisation physique de la fracture
R12 T21 T21
Massif (εm)
T12
R21
R21
R21
T21 T21
Couche
mince (εf)
Massif (εm)
d
θi θr
θm
R = R12 + T12.T21.( ∑R21
2n+1.e-inφ )
Première
réflexion
Somme des réflexions
multiples
avec φ=2.d.k2..cos(θm)
k=ω.(μ.εm)0.5 [nombre d’onde]
R = f (em , ef , w , i , d , mode d’acquisition)
Réflexion sur une couche mince

16. 16/39
3 juillet 2007
3. Caractérisation physique de la fracture
Matrice : Calcaire
Remplissage : Air
Ouverture
d (cm)
50
20
10
5
1
Fréquence (MHz)
Fréquence (MHz)
Angle d’incidence (°)
Angle d’incidence (°)
Amplitude
Phase
(rad)
Amplitude
Phase
(rad)
Inversion de R : caractériser
les propriétés des fractures ?
Sensibilité du coefficient de réflexion (mode TE)
d

17. 17/39
3 juillet 2007
3. Caractérisation physique de la fracture
1
0 1
2
w 
e w e  e
w


 
  
 
 
( ) ( ) cot( )
n
e r
r
n
i
 Le Modèle de Jonscher (1977)
• décrit la dépendance fréquentielle de la permittivité effective (εe ) pour les
matériaux géologiques.
• Modèle à 3 paramètres réels et constants (n - r - ε)
0 500 1000 1500 2000
0
20
40
60
80
100
FREQUENCE (MHz)
εr
εi
ARGILE (Grégoire, 2001)
(n=0.25 , r= 30 , ε=55)
PERMITTIVITE
(ε)
0.5
1.5
0 500 1000 1500 2000
0
1
2
FREQUENCE (MHz)
εr
εi
2.5
PERMITTIVITE
(ε)
AIR
(n=1 , r = 0 , ε=1)
Sensibilité fréquentielle de la permittivité

18. 18/39
3 juillet 2007
3. Caractérisation physique de la fracture
1 ( )
0
( , ). ( , ). ( , ).
( , ) ( ) ( , )
ik r
i i i
mes i
D C T e
E x E R
r
w
w  w  w 
w w w 


 Signal source
 Diagramme de radiation
 Couplage antenne/massif
 Perte d’énergie
 Propagation
• Atténuation géométrique
• Atténuation intrinsèque
 Cœfficient de réflexion
Champ électrique mesuré

19. 19/39
3 juillet 2007
3. Caractérisation physique de la fracture
Paramètres des
fractures
Problème direct
Signaux
enregistrés
Emes(w,x)
Problème inverse
Paramètres des
fractures ?
RMS (%)
0.1
1
10
100
Paramètre
2
Paramètre 1
Algorithme de
voisinage
(Sambridge, 1999)
Méthode d’inversion
Algorithme d’inversion

20. 20/39
3 juillet 2007
Entrées :
 Signal APVO dispersif
normalisé
 Diagramme de
radiation
Correction pour chaque cellule de l’espace
des paramètres de :
 L’atténuation géométrique
 L’atténuation intrinsèque
 Du diagramme de radiation
La normalisation permet de s’affranchir:
 Du signal source
 Du couplage antenne/massif
2 stratégies différentes :
 Corriger en amont l’effet de la
propagation
-> Sont supposées connues
 La permittivité du massif
 La profondeur de la fracture
-> Inversion de R(i) normalisé
 Pour s’affranchir du signal source
 Validée sur des signaux synthétiques
 Prise en compte globale du champ
électrique mesuré
-> Inversion de Emes(w,x) normalisé
3. Caractérisation physique de la fracture
1 ( )
0
( , ) ( , ) ( , )
( , ) ( ) ( , )
ik r
i i i
mes i
D C T e
E x E R
r
w
w  w  w 
w w w 


Méthodologie d’inversion
1,4
1
0,6
0,2
0 20 40 60 80
Angle d’émission
Amplitude
Sorties : 8 paramètres caractérisant :
 Le massif (3 paramètres de Jonscher)
 Le matériau de remplissage (3 paramètres de
Jonscher)
 L’épaisseur et la profondeur de la fracture

21. 21/39
3 juillet 2007
3
0,6 1 1,4
0,2 0,8 1,2
0,4
0
Ouverture (m)
Profondeur
(m)
3,2
3,4
2,6
2,8
er,f
50
20 40
10 30
40
30
20
50
0
10
ei,f
3. Caractérisation physique de la fracture
Fracture remplie d’air
• d=44 cm
• z=3m
• er,f=1
• ei,f=0
FAIBLE
FORT
RMS
Validation de l’algorithme d’inversion

22. 22/39
3 juillet 2007
3. Caractérisation physique de la fracture
Validation de l’algorithme d’inversion
Algorithme validé pour :
• 5 matériaux différents
• Modes de réflectivités TE et TM
• Inversion conjointe des modes
TE et TM
• l/20 < d ≤ l/2
FAIBLE
FORT
RMS
e
r,f
1,2
40
30
20
50
10
0,6 1 1,4
0,2 0,8
0,4
0
Ouverture normalisée (d/l)
l/3,3 l/2
l/10 l/2,5
l/5
Ouverture (m)
Solution théorique

23. 23/39
3 juillet 2007
3. Caractérisation physique de la fracture
F2
F1 F3
F4
F5
12
9
6
3
0
DISTANCE (m)
?
Cliff
CMP
Application aux données acquises en falaise
 Rocher du Mollard (Jeannin et al, 2006)
Temps (ns)
Distance
le
long
de
la
falaise
(m)

24. 24/39
3 juillet 2007
Fréquence
(MHz)
2 4 6 8 10
180
160
140
120
100
2 4 6 8 10
180
160
140
120
100
3. Caractérisation physique de la fracture
Offset (m)
Fréquence
(MHz)
2 4 6 8 10
180
160
140
120
100
2 4 6 8 10
180
160
140
120
100
Offset (m)
Signaux inversés
Amplitude
Phase (rad)
Offset (m)
Temps
(ns)

25. 25/39
3 juillet 2007
3. Caractérisation physique de la fracture
Propriétés du
remplissage
Propriétés de la
matrice
Propriétés
géométriques
er,f
ei,f
er,m Ouverture (m)
Profondeur
(m)
Résultat de l’inversion
 Problème bien posé
ei,m
Deparis et Garambois (soumis)

26. 26/39
3 juillet 2007
3. Caractérisation physique de la fracture
Confrontation données/modèle théorique
 Corrections :
• Effet de la propagation
• Diagramme de radiation
Amplitude
Phase
(rad)
Fréquence (MHz) Angle d’incidence (m)
Angle d’incidence (m)
Fréquence (MHz)
Amplitude
Phase
(rad)
 Légende
Données
Meilleur modèle
d=50 cm
d=30 cm

27. 27/39
3 juillet 2007
•L’inversion des CMP en fonction de la fréquence et de
l’offset permet de retrouver les propriétés des
fractures et du milieu de propagation
•Bonne corrélation entre la théorie et les données
•La prise en compte de la sensibilité fréquentielle
améliore la convergence de la solution
Conclusions

28. 28/39
3 juillet 2007
Sommaire
 Imagerie du réseau de fracture par mesures
géophysiques
• Le rocher du Midi
• Les gorges de la Bourne
 Caractérisation des fractures par sensibilité
fréquentielle et angulaire des ondes EM
• Approche couche mince
• Méthodologie d’inversion des courbes APVO - validation
• Application sur des signaux acquis sur des falaises
 Étude dynamique d’éboulements
• Analogie entre les paramètres mécaniques/sismologiques
• Analyses dynamiques des signaux sismologiques
• Modélisation des sources
 Conclusions & Perspectives

29. 29/39
3 juillet 2007
Étude dynamique du phénomène d’éboulement
Les différentes phases d’un éboulement

30. 30/39
3 juillet 2007
Étude dynamique du phénomène d’éboulement
12 événements trouvés dans
la base de donnée SISMALP
de 1990 à 2004
Gamme de volume variée
(2000 à 2x106 m3)
Magnitude (Ml) variant de
0,8 à 2,8
Distance d’enregistrement de
10 à 300 km
Les événements
Présentation des signaux sismologiques
• Éboulement
• Séisme

31. 31/39
3 juillet 2007
1Hz
101
102
103
104
40
10
1
Fréquence (Hz)
Amplitude
(Déplacement)
Magnitude locale (Richter,1935)
• Source profonde
• Contexte de la Californie
Modèle empirique
d’atténuation (Deparis et al, soumis)
• Source superficielle
• Contexte des Alpes
Étude dynamique du phénomène d’éboulement
• Magnitude
• Durée du signal
• Fréquence coin
A
0
Distance (km)
50 200
10-1
10-2
10-3
10-4
20 80
40 20 80
40 20 80
40
30
20
10
30
20
10
30
20
10
Durée
Distance (km)
Caractéristiques Sismologiques

32. 32/39
3 juillet 2007
Étude dynamique du phénomène d’éboulement
Analogie mécanique/sismologie
Événement étudié
Rapport
E
p
/E
s

33. 33/39
3 juillet 2007
R1
• hf = 170 m
• tf = ≈ 5,9 s
• Station 0G17 (≈ 40 km)
R1
• hf = 170 m
• tf = ≈ 5,9 s
• Station 0G13 (≈ 24 km)
Étude dynamique du phénomène d’éboulement
2. /
c
h g
5,9s
Analyse des sismogrammes
Détachement
Impact - propagation

34. 34/39
3 juillet 2007
Étude dynamique du phénomène d’éboulement
R11
• hf = 190 m
• tf ≈ 6,2 s
• Station OG14 (≈ 43 km)
Composante
radiale
Composante
radiale
Composante
tangentielle
Composante
tangentielle
Composante
verticale
Composante
verticale
Temps (s)
Amplitude Détachement
Impact - propagation
0 20km
N
Analyse des sismogrammes

35. 35/39
3 juillet 2007
Altitude
(m)
distance (m)
Massif : Élastique Vp = 5800 m/s
Sol :
• Élastique Vp = 5800 m/s
• Élastique Vp = 1700 m/s
• Plastique Vp = 1700 m/s
sy = 290 MPa
Temps (s)
Amplitude
(m/s)
Fréquence
(Hz)
Amplitude
(m/s)
Fréquence
(Hz)
Temps (s)
Amplitude
(m/s)
Fréquence
(Hz)
Temps (s)
Amplitude
(m/s)
Fréquence
(Hz)
Temps (s)
Simulation numérique
Étude dynamique du phénomène d’éboulement
Massif
Sol

36. 36/39
3 juillet 2007
Conclusions
•Les différentes phases de l ’éboulement sont retrouvées sur les
enregistrements
•Les effets non linéaires lors de l’impact ont pour conséquence un
faible rendement énergétique (conversion Ep - Es)
•La source peut être caractérisée par la première phase du signal
•Les corrélations montrent une analogie entre la durée du signal et
l’énergie potentielle
•La modélisation d’un éboulement permet de retrouver les
caractéristiques fréquentielles et les différences d’amplitudes
observées sur les signaux

37. 37/39
3 juillet 2007
Conclusions
Imagerie de la fracturation
• Méthodologie d’auscultation des falaises
• Mise en évidence de la géométrie de la fracturation
• Validation des données par sondages géotechniques et reconnaissances
géologiques
Caractérisation de la fracture par méthode inverse
• Validation de l’approche couche mince par modélisation numérique
• Développement d’une méthodologie d’inversion basée sur la sensibilité
fréquentielle et angulaire des signaux
• Validation sur des signaux synthétiques et application sur deux cas d’étude
Étude dynamique de la rupture et de la propagation
• Acquisition de données expérimentales à l’aide de capteurs larges bandes
• Mise en évidence de plusieurs phases sismiques
• Influence de la géométrie d’instabilité mise en évidence par modélisation
numérique
Conclusions
Conclusions générales

38. 38/39
3 juillet 2007
Évolution temporelle de la stabilité
• Utilisation du radar géologique
• Mesure de bruit de fond sismique / Émission acoustique
Géométrie et propriétés physiques de la fracturation
• Imagerie 3D (profils Horizontal et Vertical)
• Utiliser l’inversion APVO (CMP) pour estimer localement les paramètres de
la fracture et du signal source afin d’appliquer l’inversion en mode réflexion
(Jeannin, 2005)
• Tester la méthodologie sur des matériaux plus dispersifs
Analyse dynamique de la propagation
• Isoler le signal source (déconvolution aveugle)
• Réseau sismologique large bande – large dynamique et multirisques
Perspectives
Perspectives

39. 39/39
3 juillet 2007
Merci de votre attention …