Brevet FR2060151A1 — publié le 19710618

Selon les métnodes couramment utilisées pour la prospection sismique, on émet dans ïe sol des ondes acoustiques qui se propagent dans le sous-sol. On utilise principalement celles de ces ondes qui se propagent en profondeur suivant un mode de dilatation et sont » -réfléchies sur les différentes coucnes du sous-sol. Ces ondes sont fcommunément appelées ondes longitudinales, 'et connues des spécialistes sous le no» d'ondes de type P. . Cependant les ondes qui se propagent en* profondeur suivant un mode de distorsion et sont réfléchies sur les différentes couches du sous-sol, appelées ondes transversales, sont également intéressantes. On distingue deux types d'ondes transversales : - les ondes transversales qui donnent un mouvement des particules polarisé horizontalement, et qui sont appelés égale- " ment ondes SH par les spécialistesr - et les ondes transversales qui donnent un mouvement des particules polarisé dans un plan vertical, etqui sont appelées également ondes SV. L'utilisation des ondes transversales en prospection sismique peut souvent apporter des informations complémentaires à celles apportées par les ondes longitudinales, ou dans certains cas donner des informations sismiques mieux interprétables pour les sections de sous-sol prospectées. Plusieurs raisons viennent à l'appui de l'intérêt présenté par l'utilisation de ces ondes transversales : a) Là valeur de leur vitesse de propagation dans les sédiments est environ la moitié de celle de la vitesse des ondes longitudinales, et en conséquence la valeur de la longueur, d'onde transversale est environ la moitié de celle de la 29979 2060151 longueur d'onde longitudinale à la même fréquence. Le pouvoir de résolution, c'est-à-dire la possibilité de séparer deux couches du sous-sol faiblement espacées, est donc sensiblement amélioré,ce qui peut présenter un grand intérêt dans certains cas, en particulier pour les études détaillées de biseaux ou de pièges stratigraphiques. b) Les ondes transversales polarisées horizontalement (ondes SH) présentent la particularité intéressante de ne pas se convertir en d'autres types d'ondes en présence de disconti-— nui-tés stratigraphiques, dans la mesure où. ces discontinuités sont symétriques par rapport au plan vertical de propagation des ondes. Contrairement aux ondes longitudinales (P) qui . subissent une conversion en ondes transversales verticales (SV) ou aux ondes transversales verticales (3V) qui subissent une conversion en ondes longitudinales (P) à chaque interface du sous-sol et lorsque les fronts d'onde ne sont pas parallèles aux interfaces, on a toujours, pour les ondes transversales . SH une conservation du même type d'onde. Les sismogranures obtenus en incidence oblique sur des terrains présentant un grand nombre de discontinuités sent donc beaucoup plus simples avec les ondes SH qu'avec les ondes P ou SV,du moins en théorie c) La connaissance des vitesses de propagation des ondes transversales ,alliée à la connaissance des vitesses de propagation des ondes longitudinales et des densités du terrain, permet de déterminer certains paramètres physiques des roches : module d'Young, coefficient de Poisson, module de rigidité,' module de compressibilité, ce qui est impossible si l'on ne connait que les vitesses de propagation dés ondes longitudinales» " Plusieurs méthodes avaient déjà été imaginées pour émettre des ondes transversales, mais elles ne présentaient pas les avantages vie la méthode de la présente invention qui permet de fournir, des impulsions si smiques beaucoup plus brèves et de forme plus pure. 69 29979 3 2060151 Une première méthode consistait à utiliser des vibrateurs horizontaux, communicant au sol des mouvements horizontaux alternatif par frottement, (par exemple brevet US 3 159 233 et brevet US 3 286 783). L'inconvénient de cette méthode est que les impulsions émises par des vibrateurs sont de longue durée, généralement plusieurs . seondes. Bien que les techniques de corrélation permettent de contracter les impulsions par traitement des enregistrements, il est clair qu'il peut être nécessaire dans certains cas de disposer â l'émission d'impulsions brèves , d'une durée inférieure à 3C millisecondes par exemple. Une autre'méthode consiste à'projeter horizontalement une Masse sur une butée fixée dans le sol, de manière à transmettre une force horizontale au sol. (par exemple brevet US 2 740 488). Mais selon cette méthode la masse est suspendue à une poutre par l'intermédiaire de fils, ce qui présente des inconvénients. En particulier, les forces d'action et de réaction sur le sol ne sont pas contrôlables. La présente invention a pour objet une nouvelle méthode d'émission d'ondes transversales dans le sol, et le dispositif pour sa mise en oeuvre, permettant d'émettre des impulsions brèves et dé forme pure, et de foarnir des forces d'action et de réaction contrô- » labiés. Cette méthode consiste à produire au moyen d'un générateur deux forces égales et opposées F^ et F^, à contrôler ces forces au moyen de systèmes à coefficients de rigidité différents, respectivement k1, pour obtenir des forces opposées et inégales et qui sont appliquées au sol dans une direction sensiblement horizontale. Le dispositif pour la mise en oeuvre de la méthode comporte un 29979 2060151 générateur fournissant deux forces égales et opposées et Fg, des moyens de contrôle de ces forces pour obtenir-des forces opposées et inégales et et des moyens de transmission de ces forces ^1• ^2 au so^ ^ans une direction sensiblement horizontale. Ce dispositif comporte en outre des moyens de liaison, sans frottement du générateur avec le 3ol. • L'invention sera décrite de façon plus détaillée en se référant aux dessins annexés où : - la figure 1 illustre le principe de la méthode selon l'invention. - la figure 2 représente schématiquement un premier mode de réalisation du dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention. - la figure 3 représente grapniquement les forces et appliquées au sol dans une direction sensiblement norizontale, en fonction du temps. - la figure 3a représente graphiquement la force résultante appliquée au sol dans une direction sensiblement horizontale, en fonction du temps. - la figure 4 illustre schématiquement la disposition des dispositjfs d'émission et. de réception dans le cas d'ondes transversales - la figure 5 illustre schématiquement la disposition des dispositifs d'émission et de réception dans le cas d'ondes transversales du type SH. - la figure 6 représente schématiquement un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention." - la figure- 7 représente schématiquement un troisième mode de réalisation du dispositif. ' - la figure 8 représente schématiquement un quatrième mode de réalisation du dispositif. 69 29979 s- - 2060151 - la figure 9 représente schématiquement un cinquième mode de réalisation du dispositif. - la figure 10 représente- schématiquement un sixième mode de réalisation du dispositif. - la figure 11 représente scnématiquement un septième mode de réalisation du. dispositif. Le principe de la méthode selon l'invention sera décrit en se "référant i la figure 1. Un générateur de force G dont l'axe vertical passe au point 0 exerce simultanément dans la direction OX une force horizontale et dans la direction opposée - OX une force horizontale Fg = - . Le dispositif comporte des moyens 3 et 5 pour contrôler respectivement les forces d'action et de réaction et F2 et les rendre inégales. Ces moyens peuvent être des éléments déformables affectés de coefficients de rigidité et kg qui agissent respectivement sur les forces F^ et Fg pour les transformer en forces et fÇ, • Le dispositif comporte en outre des éléments 2 et 4 de transmission des forces et fÇ, respectivement, dans les directions OX et -OX. Ces forces sont communiquées au sol, soit directement par application des éléments de transmission 2 et 4 sur des parois du sol sensiblement perpendiculaires à l'axe OX, soit par l'intermédiaire de butées plantées dans le sol et situées à des distances x^ et x2 du point 0, respectivement dans les directions OX et -OX. Les forces et f2 étant inégales, il en résulte une force V qui est transmise au sel sous la forme d'une impulsion sismique. En effet, la distance x^ x2, de l'ordre du mètre, est généralement petite devant les longueurs d'onde émises (au moins une dizaine de mètres) et les points d'impact x1 et xg des forces et ^ peuvent pratiquement être considérés comme confondus à l'échelle 69 29979 6 2060151 des ondes sisraiques émises. ' La force horizontale P(t) exercée sur le sol est donc égale à %Cb) %(k) , en valeur algébrique. L'une des caractéristiques essentielles de la présente invention consiste en ce que l'.on choisit la rigidité de l'élément de contrôle 3 et la rigidité kg de l'élément de contrôle 5, de valeurs différentes, de manière que les fonctions de transfert îL et E soient différentes, ce qui permet d'obtenir des forces ^ et non égales en valeurs absolues malgré l'égalité de et Ç-fc) en valeur absolue. En conséquence, la force = exercée horizontalement sur le sol n'est pas mile, et sa forme peut être choisie à volonté et modifiée en faisant varier les valeurs des coefficients k^ et k2 de rigidité des éléments 3 et 5. - Le générateur de force G peut être par exemple un système à percussion, la source énergétique étant pneumatique, hydraulique ou électromagnétique, ou encore, un système à explosion, la source énergétique étant un explosif solide, liquide ou gazeux, un système à étincelle ou à fil explosant, etc. Quelques modes de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre de la méthode selon l'invention seront décrits ci-après & titre d'exemple. Selon un premier mode de réalisation, illustré à la figure 2, le générateur G est un système à percussion par exemple, comportant un piston 7 dans un cylindre 1; la force F^ est transmise par le piston 7 et la force parle cylindre 1 de ce système. Le générateur G est supporté par un support 6 sans, frottement, une chjunbre à air par exemple- Les efforts transmis au sol par le support 5 n'ont pratiquement pas de composante horizontale puisque 69 29979 7 2060151 ce support travaille sans frottement. A titre d'exemple, on peut calculer la force résultante V (t) exercée horizontalement sur le sol dans le cas du dispositif de » la figure 2. Cn désignera par' : m la masse du piston 7 x sa distance du point 0 dans la direction CX (x sa vitesse) la masse du cylindre 1 . • Xg ... sa distance du point 0 sur l'axe - XCX (x^ sa dérivée par 10 - rapport au temps, c'est-à-d^re sa vitesse). . la masse de la plaque puisante 2 . x,j sa distance du point C sur l'axe -XOX (x1 sa dérivée par rapport au temps, c'est-à-dire za. vitesse). «ig la masse de la plaque puisante 4 15 x2 sa distance du point 0 sur l'axe -XOX (x2 sa dérivée par rapport au temps c'est-à-dire sa vitesse). On supposera pour simplifier que la liaison du piston 7 avec la plaque puisante 2 est rigide *o°). 20 25 . Cn désignera par': ^ le coefficient de frottement du système lors du recul du cylindre T. Y tk Y* les admittances du sol correspondant, respectivement pour A " • é les plaques 2 et 4, au rapport jç* , Le principe de fonctionnèment du système est représenté par le groupe de relations suivantes, qui s'écrivent en régime harmonique de pulsation w : 69 29979 2060151 (i ) /"F»-(p + f). = \ + ^ = • J" ^ — "j" ^ /Wv +- /VW,^ ) 6J oc.^ »4_ Y, i* Ya o«.j w otj ^ u> =cz En éliminant x^, x2 et entre ces 5 relations, et en rappelant que Fg = -F^, on obtient les forces ^ eten régime harmo-nique : (2) _ A ~~ A _ ^ 00 Y, 10 (3) % = -4 - +/Vyt5.)w>)^ - /Wi» {as \+ i1"?" V On voit qu'il est possible de régler ^ en faisant varier m et ; cela revient à fa:re varier le couplage de la plaque avec le sol. On peut régler *5^ en faisant varier ^ et kg. BAO ORIGINAL 69 29979 2060151 Le système d'application des forces au sol est représenté par les fonctions de transfert et , fonctionsde la fréquence f. F* On peut par exemple faire correspondre une résonance à haute fréauence et peu amortie à la fonction de transfert ^ et une résonance à basse fréauence et bien amortie" à la fonction de transfert .£*•'• - La force résultante exercée sur le sol est alors formée d* une.partie positive, brève et de forte amplitude,, essentiellement due à t et d'une partie négative, de plus longue durée et de faible amplitude, essentiellement du.e à (t) "A titre d'illustration on peut calculer les valeurs des fonctions ^ et dans le cas où le sol est dur (admittance • faible, Y4 «-Y* So )•' Les fonctions de transfert *2. et données par les relations (2) et (3) se réduisent ^ alors à~f" 10 20 S - E. (4) A + *W fc et ■ -r .. ■„ .■ (5) -F- 4+ _ C2L3 ■" •fta. On voit que C^) = f], (b) Pour obtenir , on utilisera la transformée de Fourier inverse de la fonction de transfert du deuxième ordre donnée par la relation (5). En désignant par : = J ~ lapulsation propre du système constitué par le • » 69 29979 10 2060151 cylindre 1 et le ressort 5. V *1 =- le coefficient d'amortissement va) l'échelon unité de Heaviside: U(t)=opour t = 4 * b >o - -${- le signe ccnvolution On obtient : pour *) ~> 4 _ = -ÇJt; * e pour ^ = 4 -W-t \{^ÏT W„t _ 2.7 "0 fc- - X7)J U{b) (6) ?^£tr) = -Tûdt) *- w0 e |-u)0fc" + a.^.UYt') - (7. ^ 10 pour : ■ ijfcfcf Alx-ÏÂ^f u».t -#«* M>47)| ^ La figure 3 représente graphiquement à titre d'exemple la force exercée sur le sol par le dispositif émetteur d'onde transyerse dans le cas particulier où la rigidité k2 du ressort 5 15 est choisie de façon que = \/— soit égal à 62,8, c'est-à- dire où la fréquence de résonance de la masse du cylindre 1 sur le ressert 5 est égale à 10 hertz, et- où l'amortissement ti =. ^ i ij w, est égal à 1. « 3 20 On a supposé que la force ï\j(t) exercée par le générateur G avait la forme indiquée sur la figure, avec une constante'de temps choisie de l'ordre de 5 millisecondes. 69 29979 11 2060151 Ç' ^ (t) * Fq(t) représente la force exercée par la plaque 2 sur le sol. Elle est égale à la force exercée par le générateur puisque l'on a supposé que le sol avaat un coefficient d'admittance .faible Y— ° 5 ^^(t) représente la force de réaction exercée par la plaque 4 sur le sol par l'intermédiaire du ressort 5. 9" (t) *^(t) +^(t) représente la force horizontale exercée sur le sol par le dispositif. I.a .force ^(t) est exercée dans la direction OX, avec un 10 point d'application qui peut être assimilé au point milieu C du dispositif. Les paramètres kg, k^, m seront cnoisis en tenant compte des fréquences de façon que : (a> io~ soit inférieure où égale à la plus basse fré- 15 quence utile du spectre d'émission. Par exemple, pour la prospection sismique, où la bande utile est comprise entre 10 et 1C0 hertz, on peut prendre ainsi que dans l'exemple de la figure 3 $ a 10 nertz. (b) ^ avec ^ soit- supérieur à et aussi grand que l'on veut : ^ *>o 2C Par exemple dansle cas de la figure 3 on a pris -j?4- aa , ce qui est très facile puisqu'il suffit de rendre rigide la liaison entre ' le piston 7 et la plaque 2, c'est-à-dire de choisir s . Pratiquement la borne supérieure des fréquences émisés n'est pas définie par f , mais la fréquence propre f„ du générateur G 25 la fréauence du couplage f_ delà plaque 2 avec le sol d*admittance V U *1 t? Le coefficient d'amortissement h- —1— sera choisi suffisam-ment --levé pour éviter le pnéncmène appelé pédalagje du à un amortissement trop faible. Pratiquement ce coefficient doit.être supérieur BAD ORIGINAL 69 29979 12 2060151 à 0,3. ' ' ' : ; " . Par exemple, dans le cas où 4 ' , l'amortissement est d'autant plus important que *} est plus grand.' ' * Dans le cas où ^ -i l'.amortàssément est complet. j ' " ■ - " ** Le réglage de *) peut s'effectuer en modifiant le coefficient de frottement ^ . Le choix de la direction de l'axe CX dépend du type d'onde transversale que l'on veut émettre : - Pour émettre des ondes transversales du type SV, on dirigera l'axe OX dans la direction du profil sismique à étudier, les sismograpnes étant eux aussi disposés horizontalement dans la direction du profil de manière à recevoir les ondes SV. — Pour émettre des ondes transversales du type SH, on dirigera l'axe OX dans une direction perpendiculaire au profil sismique à étudier, les sismographes étant eux aussi disposés horizontalement dans une direction perpendiculaire au profil de manière à recevoir les ondes SH. La figure 4 représente une vue schématique du plan de l'ensemble émetteur G et sismograpnes S^, S2« •-sn pour une prospection en ondes SV. La figure 5 représente une vue schématique.en plan de l'ensemble émetteur G et sismographes S^, S^, S^.. S^ pour, une prospection eh ondes. SH. ^ D'autres modes de réalisation du dispositif" pour la mise en oeuvre, de l ' invention peuvent' être envisagés. ■Par exemple, suivant un second mode de réalisation du dispositif, ' qui est une vàri'ante "du dispositif illustré à la figure 2, on BAD ORIGINAL 29979 « 2060151 remplace le moyen de liaison élastique 6-sans frottement par un liquide. Dans ce cas, le cylindre 1 du générateur flotte sur un liquide 8 disposé dans une cuve 9 comme il est représenté sur la figure 6. Le fonctionnement du dispositif dans ce cas est le même que dans le cas de la figure 2. Selon un troisième mode de réalisation du dispositif selon l'invention, illustré à la figure 7, la liaison élastique sans frottement est réalisée par un système de roulement. Le cylindre 1 du générateur reposé alors sur le sol par l'intermédiaire de roulements 10. Suivant un quatrième mode de réalisation du dispositif émetteur d'ondes transversales, les forces horizontales ^ et /FX sont transmises au sol par l'intermédiaire de plaques 11 et 12 hérissées de pointes. La plaque 11 est solidaire d'une butée 13 sur laquelle va frapper le piston 7. La plaque 12 .supporte le cylindre 1 du générateur par l'intermédiaire d'un système sans frottement ; l'extrémité du cylindre 1 opposée au piston 7 s'appuie sur une butée 14 solidaire de la plaque 12, par l'intermédiaire d'un ressort 5 de rigidité kg ou sur 2 butées 14.et 15 par l'intermédiaire de deux ressorts 5 et 3, de rigidité kg et k^ respectivement. Suivant un cinquième mode de réalisation du dispositif, qui est une variante du mode de réalisation précédent, la plaque 11 est remplacée par un pieu 16 enfoncé dans le sol. Ce pieu supporte la butée 13 sur laquelle vient frapper le piston 7 (fig.9). Suivant un-sixième mode de réalisation du dispositif, illustré & la. figure 10, et qui est une variante du mode de réalisation précédent, le cylindre 1 du générateur-repose sur le sol par l'inter- 69 29979 2060151 médiaire du système de liaison élastique.6 sans frottement et d'une plaque 17. Les forces 7^ et sont communiquées au sol par l'intermédiaire de deux butées verticales enfoncées dans le sol, par exemple des pieux 16 et 18 munis respectivement des butées 13 5 et 14. L'extrémité du cylindre -1 opposée au piston 7 s'appuie, au moment du recul, sur la butée 14 par l'intermédiaire du ressort 5. On peut même supprimer éventuellement le ressort 5 et rendre rigide la liaison entre le cylindre 1 et la butée 14 à condition d'introduire une dissymétrie entre les forces et communiquées 1C au sol, en introduisant une dissymétrie sur les conditions de cou plage des pieux 16 et 18 avec le sol : par exemple, le pieu 16 très enfoncé pour avoir avec le sol un couplage haute fréquence, et le pieu 18 peu enfoncé pour obtenir avec le sol un couplage basse fréquence. 15 On peut également, pour obtenir ce couplage basse fréquence, disposer directement le cylindre 1 sur le sol meuble. Un septième mode de réalisation permettant l'émission d'ondes transversales au moyen d'un générateur à explosif est illustré à la figure 1t. 20 Dans ce cas, l'énergie est libérée sous forme de pression par l'explosion, dans une enceinte 19'contenant un liquide, d'une charge explosive 20 ; la force dégagée est transmise au sol par l'intermédiaire de l'une des parois de l'enceinte, constituée par une membrane défcrmable 21. Le générateur repose par exemple, comme dansle cas de la figure 8, sur le sol par l'intermédiaire d'un système de liaison élastique 6, sans frottement, et d'une plaque 12 garnie de pointes enfoncées dans le sol, la plaque 12 étant munie d'une butée verticale 14, du côté de la partie terminale 22 de l'enceinte 19, opposée à la paroi déformable. 21 et rigide. Un ressort 5 relie la butée 14 25 30 BAD original" 1 69c2«»K9 15 2060151 céïte partie terminale 22. Une autre butée verticale 13, soli-_ • . rdkir« d'une plaque 11 sensiblement horizontale et fixée au sol au .: moyen de pointes,, est disposée du côté de la paroi déformable 21 - . j ce?de:fl:' enceinte. 5 't;: . Au moment de l'explosion, la force est transmise au sol par l'intermédiaire de la paroi déformable 21 et de la butée 13, tandis que la force est transmise par la partie terminale 22, par l'in-termédiaire du ressort 5 et de la butée 14. - j r .JÎ1Z ~ r'- ' Le principe d'application des forces au sol est le même que 10 dans les différents cas précédents. . Il est évident que l'on peut remplacer le dispositif à charge explosive précédemment décrit par tout autre système susceptible de créer une variation de pression dans une enceinte contenant du liquide, ou encore, le liquide de l'enceinte peut être rempla-20 cée par un mélange explosif gazeux, sans sortir du cadre de la présente invention. SE ï E ND 1 C.A T ION' S ■ ... * ■ Méthode d'émission d'ondes transversales dans le sol, caractérisée en ce que l'on produit, au moyen d'un générateur G, deux forces Fi et F2 égales et opposées, en ce que l*on contrôle ces forces F1 et ?2 en leur appliquant des coefficients de rigidités ^respectivement différents}* k1 et k2 pour obtenir des forces opposées et inégales Ç^et ^ sont appliquées au sol dans une direction sensiblement horizontale. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que les coefficients k^ et k,, sont fournis par des ressorts (3 et 5), de rigidités inégales. Dispositif pour la mise en oeuvre de la méthode selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur G fournissant deux forces égales et opposées F^ et Fg, des moyens de contrôle de ces forces pour obtenir des forces opposées et inégales et et des moyens de transmission de ces forces ^, fv, au sol dans une direction sensiblement horizontale. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le générateur (G) comporte essentiellement un cylindre (l) et un piston (7) mobiles l'un par rapport à l'autre. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le générateur (G) comprend essentiellement une enceinte 19 contenant un liquide, comportant à une extrémité une paroi déformable (21) et à l'autre extrémité une partie terminale rigide (22). Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de liai son sans frottement entre le générateur (G) et le sol. BAD ORIGINAL 69 29979 17 2060151 7* Dispositif selon la revendication 6., caractérisé en ce que le3 moyens de liaison consistent en un support élastique (6). 8* Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les , moyens de liaison consistent en un système de roulements (1 G). 9* Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de liaison consistent en une masse de liquide (8). 10* Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de contrôle de la force consistent en un ressort (3) de rigidité k1. 11* Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de contrôle de la force Fg consistent en un ressort (5) de rigidité k^. 12* Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lei moyens de transmission de chaque force #,) au sol consis tent en une plaque puisante (2, 4) s'appuyant sur des parois sensiblement verticales du sol. 13* Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de transmission de chaque force ^au sol consistent en une plaque puisante s'appuyant sur une butée-sensiblement verticale (13, 14). 14* Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que la butée (13, 14) est solidaire d'un pieu (16, 18) enfoncé dans le sol, dans une direction sensiblement verticale. 69 29979 2060151 15° Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que la butée (13,14) est solidaire d'une plaque (11,12) sensiblement horizontale fixée au sol.