Brevet FR2379076A1 — publié le 19780825

La présente invention a trait au domaine de la prospection géophysique. Elle concerne plus spécialement un nouvel appareillage destiné à déceler et à analyser les mouvements d'ondes séismiques et partiúlibremant apte k déterminer les perturbations et secousses souterraines et sous-marines. On sait que les secousses séismiques provoquent souvent de grandes catastrophes et l'on connaît les dommages considérables provoqués par les grands tremblements de terre dont plusieurs exemples tout récents viennent encore d'alarmer les populations. Depuis Tongtesps, on a cherché à analyser les ondes séismiques afin de déterminer les grandes lignes do . tailles sur le globe, de cerner les aires macroséismiques et de se livrer à des prévisions de secousses afin de limiter si possible les dégâts des tremblements de terre et/ ou éruptions volcaniques.On utilise, å cet effet, des séissographes horizontaux ou verticaux basés sur le principe de l'oscillation, avec amortissement, de systèmes pendulaires qui permettent, gråce à une amplification électronique des mouvements du sol,d'enregistrer avec une précision correcte les mouvements de trains d'ondes et d'analyser, sur une courbe des temps ou- hodographe, les différentes phases d'un séisme. De tels appareils permettent également, par exemple par la méthode séismique dite de réflexion, de déterminer les éléments essentiels d'interprétation géologique du sous-sol et de se livrer à la recherche de nouveaux gisements pétrolifères, Les séismographes, ou appareils équivalents, utilisés à ce jour constituent malheureusement des dispositifs forts encombrants, souvent peu fiables et dont l'interprétation des résultats, sur les séismogrammes, est fort complexe. En outre, leura difficultés de manipulation rend malaisée l'ap- plication aux recherches de sources pétrolifères. L'invention permet de résoudre, de façon élégante, ce problème technique de l'analyse et de la prévision des secousses séismiques en mettant à la disposition de l'utilisateur un appareillage de faible encombrement, fournissant des résultats de mesure de très grande précision et susceptible d'être utilisé pour la détection et lranalyse, par les moyens les plus perfectionnés, de toutes perturbations souterraines et soua-narines telles que trem- blements de terre, présence de poches pétrolifères, explosions nucléaires ou autres. etc. Le nouveau dispositif selon l'invention comprend essentiellement la combinaison a) d'un moyen de détection de secousses b) d'un ensemble optique de mesure des vibrations comprenant un générateur laser dont le faisceau lumineux cohérent est séparé, par miroir semi-transpa rent, en deux fractions qui alimentent d'une part une chaine de référence, équipée d'un modulateur de faisceau laser et utilisée pour simuler la secousse à analyser et, d'autre part, une chans de mesure où le faisceau laser oscille entre un systènw optique et ledit moyen de détection t les channes étant munies chacune d'élments de détection interférométrique et de visualisation des signaux transmis alors que la liaison entre ces channes est rEali- sée par un comparateur dont les informations sont transmises à un calculateur ou réseau d'asservissement. Le moyen de détection ou captage de secousses relié à l'ensemble optique de mesure par rayonnement laser est constitué par un système ayant une face argenté (ou équivalent) destinde à recevoir et réfléchir le rayon laser de ladite chaîne de mesure et qui peut revêtir diverses forme. Selon une première réalisation, ce système peut être constitué par un transducteur d'écoutes séismiques ou plaque vibrante, ou encore masse résonnante d'écoute, sur lequel arrivent les secousses c8té face non réfléchissante. Selon une autre réalisation, on met en oeuvre une masse suspendue à un ressort, à la façon des seismographes verticaux de type connu en soi. Dans une variante intéressante, on utilise un gravimètre dans lequel le rayonnement laser provoque la sustentation de fines particules réfléchissantes, à l'inté- rieur d'une enceinte à vide, la hauteur de sustentation des particules étant variable selon la gravité à laquelle ces dernières sont soumises.Dans une autre réalisation, également avantageuse, en particulier en prospection sous- marine, le capteur de perturbations est constitué par un récipient clos à fond sphérique argenté (ou miroir équivalent) dans lequel le rayonnement laser de la chaine de mesure précitée excite les molécules d'un fluide dont on mesure les fluctuations émissives par rapport aux hyperfréquences modulées de ladite chaîne de référence. L'invention sera mieux oomprise par la description de quelques modes de réalisation, non limitatifs, illustrés par les dessins dea planches annexées, sur lesquels . La figure i représente le diagramme de principe de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention ou' le détecteur de secousses est constitué par un transducteur; . Les figures 2,3 et 4 illustrent divers types d'appareils susceptibles d'être utilisés comme capteurs de perturbations dans le dispositif ee- lon la figure 1. On décrira tout d'abord l'ensemble du système de mesures schématisé sur la figure 1 et correspondant à un seismographe-laser associé à un détecteur de perturbations telluriques constitué par un transducteur 1 de type connu en soi. Un faisceau laser 2 émanant du générateur 3 est envoyé sur un miroir transparent 4 donnant un faisceau directement transmis 5 et un faisceau réfléchi 6. Dans une chaîne de référence ou étalon 7, le faisceau 5 rencontre un modulateur 8 couplé à un dispositif de fosalîsation optique 9. Le faisceau modulé 10 est envoyé sur un second miroir transparent Il qui donne un rayon réfléchi 12 et un rayon transmis 13. Le rayon 12 est à nouveau réfléchi par un miroir semi-transparent 14 dont le faisceau transmis 15 parvient, après réflexion sur le miroir 16, dans un dispositif de visualisation 17 qui peut, par exemple,être une cuve contenant un solvant et des composés organiques permettant, de façon connue en soi, une détection spectrale du faisceau laser modulé.Le rayon réfléchi 18 sur lemiroir 14 est directement envoyé sur un détecteur interférométrique 19, par exemple un détecteur au silicium ou équivalent dont les signaux de sortie, éventuellement amplifiés, sont envoyés dans un comparateur 20 qui sera décrit plus loin. Quant au rayon 13 transmis direc- tersent par le miroir 11, il est dirigé sur un interféromètre pilote 21 dont les résultats peuvent être exploités sur graphique (x y). Dans la channe de mesure 22, le faisceau laser 6 est totalement réfléchi par un miroir 23 puis, passant par un optique 24, parvient sur un miroir semi-transparent 25 qui donne un rayonnement transmis 26 et un rayonnement réfléchi 27. Le rayon 26 frappe la face argentée 28 du transducteur 1 et est réfléchi par cette dernière si bien qu'il s'établit une résonance des vibrations lumineuses cohérentes entre l'optique 24 et le transducteur 1. Les rayonnements réfléchis 27 par le miroir semi-transparent 25 sont envoyés sur un autre miroir semi-transparent 29 qui fournit un faisceau réfléchi 30 et un faisceau directement transmis 31. Le faisceau 30, éventuellement intercepté par une optique 32 parvient à un détecteur 33 qui peut être du eme type que l'interféromètre 19 et il est suivi généralement d'un amplificateur vidéo ou autre 34 pour transmettre les signaux au comparateur 20. Le faisceau transmis 31 se réfléchit sur un miroir non transparent 35 pour être envoyé sur un dispositif de visualisation 36 qui peut être du 8me type que l'4lé- ment 17. Ainsi, le dispositif de visualisation 17 et les détecteurs 19 et 21 fournissent des informations de référence à partir du faisceau laser modulé en 8 alors que le dispositif de visualisation 36 et le détecteur 33 donnent des informations sur le faisceau laser éventuellement modulé par les ondes à très haute fréquence reçues par la plaque vibrante 1. L'ensemble des informations est envoyé dans le comparateur 20 puise à un caloulateur synbolisé par le chiffre 37 de façon à dépouiller les résultats des séismogrammes obtenu et à déterminer avec une très grande précision les secousses telluriques ou autres reçues par le transducteur 1. En pratique, le dispositif susdécrit est avantageusement réalisé sous la forme d'un appareil portatif, de faible encombrement, le transducteur 1 peuvent être orienté dans toutes directions et, éventuellement, commandé à dis- tance, par exemple dans le cas où cet élément est enfoui dans le sol. Comme ci-dessus, le transducteur 1 peut être remplacé par d'autres dispositifs de détection de secousses qui sont schématisés succinctement sur les figures 2 à 4 annexées. Le détecteur de la figure 2, destiné à être enfoui à grande profondeur (par exemple plusieurs dizaines de mètres) dans le sol, se compose d'une masse 38 d'un poids élevé, par exemple 200 à 250 kg, suspendue à un ressort 39. La masse 38 comporte sur sa face inférieure un miroir argenté 40 et l'on associe au détecteur un ensemble optique à générateur laser du même type que celui de la figure 1, avec ses deux yoies (7,22) de référence et de mesure, les oscillations résonnantes du faisceau.lasers'exerçant ici entre les deux miroirs 41 et 42. Conformément à la variante représentée sur la figure 3, le détecteur est constitué par un gravimètre composé d'un tube cylindrique 43, par exemple en verre, dont l'extrémité inférieure est obturée par une optique 44 dont l'axe se confond avec l'axe optique du tube 43. Â l'extérieur de ce tube on dispose, de haut en bas : un système réfrigérant 45, par exemple un tube annulaire où circule de l'azote liquide; deux bobines électromagnétiques toroSdales 46 et 47 que l'on peut déplacer le long du tube 43 ; puis, dans la partie inférieure, des capteur 48 et 49 permettant de mesurer respectivement la pression et la température à l'intérieur du tube.On envoie sur l'optique 44, selon son axe, un faisceau laser 50 agencé selon le même ensemble optique que celui de la figure 1, Ce faisceau 50 est transformé par les systèmes optiez ques 44 et 51 en un faisceau conique divergent 52. A l'intérieur du tube 43, on établit un vide, par exemple de l'ordre de Imm de Hg au maximum et l'on introduit une certaine quantité de fines particules sphériques très légères 53 qui peuvent être constituées par un matériau métallique pulvérulent ou un matériau non métallique, comme par exemple des billes de verre maie de préf é- rence métallisées en surface.Le diamètre de ces particules est avantageusement de l'ordre du micron et leur quantité est telle que, ai on les répand sur une surface égale à celle de la section droite du tube 43, elles occupent au maximum toute cette surface en ne formant qu'une seule couche. Le tube 43 est fixé dans un dispositif gyroscopique 54 permettant de maintenir rigoureuseient à la verticale l'axe du tube 43. Pour mettre en fonctionnement le gravimètre suadécrit, on renverse celui-ci de façon que les particules 53 viennent se poser sur le fond plat du tube 43 alors que faisceau laser 50 est dà envoyé sur l'optique 44. Puis on...met le tube en position verticale et les particules, illuminées par le faisceau laser, viennent alors se placer en nuage monocouche à une certaine distance dudit fond plat. L'énergie du faisceau lumineux 5Z assure la sustentation des particules qui se stabilisent à un certain niveau en fonction de leur masse, de l'énergie du faisceau laser, du vide et de la température régnant à l'intérieur du tube. Le système réfrigérant 45 permet d'éviter toutes turbulences de l'atmosphère raréfiée qui règne dans le tube et,grace aux bobines 46 et 47, on peut superposer au faisceau laser 52 un champ électromagnétique pouvant faire déplacer en hauteur le nuage de particules 53.Dans aes conditions donnés de température, pression, puissance du faisceau laser et position des bobines électromagnétiques, la hauteur du nuage des particules 53 varie en fonction de la gravité du lieu où est disposé le gravimètre de la figure 3. On peut ainsi déceler toutes variations de gravité et prooéder à la détection et à la mesure comme il-a été expliqué ci-dessus eu égard au dispositif de la figure 1. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 4, le détecteur de secousses est constitué par un récipient clos 55 dont le fond 56 revêt une forme sphérique et est muni d'une face réfléchissante, par exemple de type miroir argenté 57. La partie supérieure du récipient peut avoir une forme quelconque, par exemple l'une de celles indiquées par les repères 58 'et 59. Le récipient 55 cdhtient un fluide 60, par exemple un liquide, dont lee molécules sont excites par un faisceau laser 61 tragsmis par le miroir semitransparent 62 et émanant d'un ensemble optique 63 du même type que celui de la figure 1, Selon une variante, on peut utiliser comme générateur de lumière monochromatique cohérente une diode laser 64.Ainsi, les perturbations du fluide 60 provoquées par des secousses telluriques ouautres(par exemple explosions nucléaires) peuvent être détectées et analysées avec précision gråce au circuit de mesure 22 (figure 1) et par comparaison avec les hyperfréquences modulées de circuit de référence 7 (figure 1). Un tel détecteur se prête particulièrement bien à l'utilisation dans les fonds sous-marins où il peut autre logé dans une cabine ou nacelle de prospection reliée par exemple à un navire où les mesures sont effectuées comme il est expliqué pour le dispositif de la figure 1. Les séismographes ci-dessus décrits à titre illustratif permettent la détection de variations de fréquences dans une gamme pratiquement illimitée. En outre, les détecteurs associés aux ensemble optiques peuvent autre disposés en diverses directions de façon à capter les ondes sismiques de toutes orientations. La précision de tels appareils et la fiabilité des résultats de mesure sont considérablement meilleurs que ceux obtenus avec les séismographes utilisés actuellement. R;E V E N D I C Â T I O N S 1. Dispositif permettant de déceler et d'analyser les secousses séismiques par la méthode connue de réflexion d'ondes, caractérisé en ce qu'il est constitué par la combinaison a) d'un moyen de détection de secousses b) d'un ensemble optique de mesure des vibrations comprenant un générateur laser dont le faisceau lumineux cohérent est séparé, par miroir semi-trans- parent, en deux fractions qui alimentent d'une part une chaîne de référen ce, équipée d'un modulateur de faisceau laser et utilisée pour simuler la secousse à analyser et, d'autre part une chaîne de mesure où le faisceau laser-oscille entre un système optique et ledit moyen de détection 1 les chaînes étant munies chacune d'éléments de détection interférométrique et de visualisation des signaux transmis alors que la liaison entre ces chanee et réalisée par un comparateur dont les informations sont transmises à un calculateur ou réseau d'asservissement. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ke moyen de dé tection de secousses est constitué par un transducteur d'écoutes seissiques ayant une face argentée (ou miroir équivalent) destinée à recevoir et à ré fléchir le rayonnement laser de ladite chaîne de mesure. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en-ce que le moyen de dé tection de secousses est constitué par une masse suspendue à un ressort et comportant une face argentée (ou miroir équivalent) destinée à recevoir et à réfléchir le rayonnement laser de ladite chaîne de mesure. 4, Dispositif selon la revendication p caractérisé en ce que le moyen de dé tection de secousses est constitué par ungraw tre dans lequel le raygnne- ment laser provoque la sustentation de fines particules réfléchissantes, à l trieur d'une enceinte à vide, la hauteur de sustentation des particules variant selon la gravité à laquelle elles-sont soumises. 5. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen de dé tection de secousses est constitué par un récipient clos à fond sphérique argenté (ou miroir équivalent) dans lequel le rayonnement laser de ladite chaîne de mesure excite les molécules d'un fluide dont on mesure les modifi cations d'émission par rapport aux hyperfréquences modulées de ladite chaîne de référence. 6..Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un appareil portatif, utilisable au sol, comportant ledit ensemble optique, le transducteur pouvant être multidirectionnel et à tête commandée à distance. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3,4 et 5 caractérisé en ce que le moyen de détection des secousses est enfoui à grande profondeur dans le sol, l'ensemble optique b) étant lui-même soit également enfoui avec des transissions parlerais soit disposé au sol ou à proximité de celui-ci. 8. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le moyen de détection des secousses est immergé à grande profondeur dans la mer. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le générateur laser est constitué par une diode laser, 10. Application du dispositir, selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, à la détection de tremblements de terre et d'explosions nucléaires souterraines ou sous-marines ainsi qu' la prospection géophysique, notam- ment pour la recherche de nappes pétrolifères.