Brevet FR2458083A1 — publié le 19801226

La présente invention concerne l'exploration géophysique par mesures de propagation de vibrations sismiques dans le sol, ces vibrations étant provoquées par des ébranlements résultant par exemple d'explosions. Les ébranlements se propagent dans le sol à des vitesses dépendant de la nature des terrains traversés et sont soumis à des réflexions et des réfractions lorsqu'ils atteignent des interfaces entre couches de terrain ayant des vitesses de propagation différentes. Des capteurs de vibrations sismiques sont répartis à des endroits appropriés pour détecter les arrivées d'ébranlements et recueillir ainsi des informations sur la nature des terrains au-dessous de la surface du sol. Dans la plupart des cas, les sources d'ébranlements et les capteurs sismiques sont disposés sensiblement au même niveau, par exemple à la surface du sol, ou près de la surface de la mer dans l'exploration sismique marine, et il est important que les capteurs ne reçoivent pas directement les ébranlements émis par la source sans que ceux-ci aient subi des réflexions et réfractions au-dessous de la surface du sol. En effet, les ébranlements propagés directement vers le capteur transmettent une forte énergie sans apporter aucune information utile. On a donc déjà proposé de donner aux sources d'ébranlements une certaine directivité de manière à éliminer presque totalement l'émission d'énergie dans les directions proches de l'horizontale. Cependant, compte tenu du fait qu'il s'agissait là pratiquement seulement d'éliminer la transmission d'énergie dans le plan horizontal, on ne s'est pas préoccupé Jusqutà maintenant d'obtenir une excellente directivité d'émission éliminant substantiellement la transmission d'énergie partout sauf dans un lobe étroit, ceci en vue non pas d'éliminer un bruit (c'est-à-dire un ébranlement sans information utile) mais de tirer parti de la connaissance de la direction précise d'émission pour obtenir une information supplémentaire sur la position des interfaces de couches de terrain. La Demanderesse stest aperçue que l'on pouvait réaliser des sources très directives dans les bandes de fréquence de vibrations intéressantes, que l'on pouvait réaliser aussi des ensembles de capteurs capables de recueillir également des ébranlements avec une forte directivité, et que l'on pouvait les associer en faisant varier la directivité des sources et des capteurs pour déterminer précisément les positions et angles d'inclinaison des interfaces des couches de terrain. Il y a toujours eu en effet jusqu'à présent un problème de localisation des points qui réfléchissent un ébranlement reçu par les capteurs et la présente invention propose une solution pour améliorer cette localisation en utilisant des sources et des ensembles de capteurs à forte directivité, en donnant des directions croisées d'émission et de réception et en faisant varier ces directions pour "observer" des emplacements successifs (aux croisements des directions d'émission et de réception) d'une région de sous-sol à explorer. Plus précisément, on utilisera comme source directive une station d'émission d'ébranlements sismiques composée d'une pluralité de sources individuelles d'ébranlements répartis sur une distance suffisante pour assurer une émission d'énergie directive avec un lobe principal d'émission ayant une ouverture de quelques degrés au plus, les sources individuelles étant susceptibles d'être actionnées avec des retards entre elles et ces retards pouvant être modifiés pour faire varier la direction du lobe d'émission. On utilise par ailleurs une station de réception composée d'une pluralité de capteurs sismiques répartis sur une distance suffisante pour assurer une réception d'énergie directive avec un lobe principal de réception ayant une ouverture de quelques degrés au plus. On émet un ébranlement à la station d'émission en actionnant les sources individuelles avec des premières valeurs de retard d'actionnement entre elles et on enregistre à la station de réception les signaux produits par les capteurs; on superpose alors les signaux issus des divers capteurs avec des décalages temporels variables entre eux pour faire varier la direction du lobe principal de réception : pour des décalages temporels choisis qui correspondent à une première direction de lobe de réception, on effectue la superposition, et on la refait avec d'autres décalages qui correspondent à d'autres directions croisant la direction du lobe principal d'émission en divers points au-dessous de la surface du sol. On recommence la suite d'opérations définie au paragraphe précédent, pour d'autres retards d'actionnement (éventuellement aussi un retard nul) entre les sources d'ébranlements individuelles, correspondant à d'autres directions de lobes d'émission étroits, Ceci permet de recueillir des informations émanant d'emplacements successifs correspondant aux diverses zones de croisement entre les lobes d'émission étroits ayant des directions différentes et les lobes de réception étroits ayant d'autres directions croisant les pre mières. L'émission dans une direction donnée se fait par exemple par un tir groupé de sources explosives déclenchées avec des retards de l'ordre de quelques millisecondes que l'on peut produire à l'aide de cordeau détonant reliant les sources explosives (vitesse de détonation quelques kilomètres à la seconde). On peut d'ailleurs agir sur la directivité non seulement en répartissant les sources individuelles sur une grande longueur (en pratique plusieurs centaines de mètres), mais aussi en agissant sur cette répartition horizontale, ou en répartissant les sources à des profondeurs différentes, ou encore en agissant sur leurs amplitudes. Les sources peuvent également être constituées non par des charges explosives mais par des canons à air pour la prospection sismique marine. De tels canons sont constitués par une chambre contenant de l'air sous pression et une valve électromagnétique à ouverture rapide dont l'ouverture provoque un dégagement d'air sous pression. Le retard entre les sources est établi par un retard entre les signaux électriques de commande des valves. A la station de réception, la directivité est également obtenue par la répartition des capteurs individuels sur une grande longueur (plusieurs centaines de mètres), et éventuellement par une action sur les gains ou atténuations de ces capteurs. Le réglage de la direction du lobe principal de réception de l'ensemble de capteurs se fait en superposant les signaux issus des capteurs avec un décalage temporel entre ces signaux, c'est-à-dire que l'on ne superpose pas les signaux'tels qu'ils arrivent des capteurs, mais seulement après les avoir reardés les uns par rapport aux autres. Ce retard peut être produit par exemple en reliant les capteurs aux diverses entrées d'un additionneur et et interposant entre les capteurs et les entrées correspondantes des lignes à retard de durée appropriée. il est en pratique plus simple d'enregistrer individuellement les signaux de chaque capteur, tels qu'ils arrivent, et d'effectuer ensuite seulement la superposition décalée, en utilisant un calculateur programmé de manière appropriée. Ceci permet en particulier à partir d'une seule émission d'ébranlements par la station d'émission, d'enregistrer les signaux recueillis par les capteurs et d'effectuer toute une série de superpositions de signaux avec des décalages temporels divers, correspondant à des directions d'observation différentes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparartront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente un diagramme expliquant le principe de l'invention - la figure 2 représente un mode de mise en oeuvre avec plusieurs stations de réception dtinformations sismiques. Une station d'émission d'ébranlements sismiques pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, est indiquée à la figure 1 ; elle comporte plusieurs sources d'ébranlements individuelles 10 (au moins six) réparties à la surface du sol (ou de la mer en prospection marine) sur une distance de plusieurs centaines de mètres afin de donner une directivité importante à émission globale d'énergie sismique. Les sources individuelles peuvent être alignées ou réparties dans un plan vertical selon une configuration propre à augmenter la directivité (voir par exemple le brevet français 76 18420 de la demanderesse). L'espacement entre les sources individuelles et la distance sur laquelle elles sont réparties sont choisis en fonction du spectre de fréquence intéressant pour les ébranlements sismiques utilisés (par exemple autour de 30 ou 40 Hz) de manière à obtenir pour ce spectre une émission d'énergie se répartissant (en coordonnées polaires comme cela est habituel) selon un lobe principal L1 et des lobes secondaires (non représentés) de part et d'autre du lobe principal, ce dernier correspondant à la transmission de la majorité de l'énergie sismique émise et ayant une ouverture maximum de quelques degrés. L'axe du lobe principal Dl définit la direction globale de transmission de énergie et l'étroitesse de l'ouverture du lobe indique la qualité de la directivité obtenue. Si les sources d'ébranlement 10 sont actionnées toutes simultanément, le lobe principal LI a son axe Dl dirigé verticalement vers le bas (perpendiculairement à la direction d'alignement des sources). Si les sources sont actionnées avec des retards appropriés entre elles, on peut facilement faire varier la direction D1 de l'axe du lobe de part et d'autre de la verticale tout en gardant la même forme à ouverture étroite du lobe principal. Le nombre des sources individuelles 10 de la station d'émission dépend du spectre de fréquences sismiques que l'on veut examiner : plus on désire avoir une bonne transmission et une bonne directivité pour les fréquences supérieures du spectre, plus l'espacement des sources doit être restreint etplus elles doivent par conséquent être nombreuses (sur la longueur totale choisie en fonction de la directivité aux basses fréquences) Les sources individuelles 10 sont par exemple des charges explosives reliées par des longueurs déterminées de cordeau détonant ou par des retards pyrotechniques de durée choisie à chaque tir. Elles peuvent être egalement des canons à air dont les électrovannes sont reliées à des circuits électriques établissant un retard déterminé et réglable entre les actionnements des diverses sources. Sur la figure 1 est également représentée une station de réception pour recueillir et traiter des signaux sismiques réfléchis et réfractés par les couches du sous-sol après un tir à la station d'émission. La station de réception comprend des capteurs sismiques individuels 12 et des circuits de traitement des signaux produits par les capteurs. Les capteurs individuels 12 sont répartis à la surface du sol ou au niveau de la mer, sur une distance de plusieurs centaines de mètres afin que, par superposition des signaux issus des différents capteurs répartis sur cette distance, on puisse réaliser une station de réception ayant une direction d'observation préférentielle, c'est-à-dire ayant un gain maximum dans cette direction et ayant un gain nettement plus élevé autour de cette direction que dans des directions différentes. Ainsi, seuls les signaux sismiques arrivant à peu près dans cette direction donneront lieu à la production d'un signal intéressant pour Sa prospection sismique. Plus précisément, le nombre de capteurs et la distance globale sur laquelle ils sont répartis, sont choisis pour que, dans le spectre de fréquences sismiques considéré, le gain de la station de réception représenté en coordonnées polaires se présente sous forme d'un lobe principal et de lobes secondaires latéraux moins importants, le lobe principal ayant une ouverture de quelques degrés au plus et la majorité de l'énergie sismique détectée par le capteur se situant dans ce lobe principal désigné par L2 sur la figure 1. La direction du lobe principal de réception est désignée par D2 et elle croise la direction d'émission en un point P. Si on se contente de superposer simplement les signaux produits par les capteurs après un tir à la station d'émission, la direction D2 est la direction verticale pour un alignement horizontal des capteurs individuels. Mais on peut également superposer les signaux en les décalant dans le temps les uns par rapport aux autres, ce qui modifie la direction D2 en fonction de ces décalages. Ce décalage temporel est effectué par les circuits de traitement à la station de réception. Par exemple, on peut prévoir que les capteurs individuels sont reliés chacun, par l'intermédiaire d'une ligne à retard respective, à une entrée d'un additionneur à entrées multiples, les lignes à retard ayant des retards différents. Il est en pratique plus simple d'enregistrer les signaux produits par chaque capteur après un tir, et d'effectuer ensuite une superposition par calcul avec différentes valeurs de retard pour obtenir avec un seul tir plusieurs directions sélectives d'observation par la station de réception. Pour un tir donné (dans une direction D1 déterminée), l'observation dans plusieurs directions D2 par la station de réception permet de faire varier le point P d'où proviennent les réflexions sismiques aux interfaces entre couches du soussol : si en faisant varier la direction d'observation on rencontre à un moment un maximum de réception d'énergie à la station de réception, ce maximum indique la présence d'un miroir sismique (interface entre couches de terrain de vitesses de propagation différentes) au point de croisement des directions correspondantes d'émission et de réception, l'orientation du plan du miroir sismique étant perpendiculaire à la bissectrice de l'angle entre ces directions. il est particulièrement souhaitable, comme cela est représenté à la figure 2, d'effectuer une exploration en utilisant plusieurs stations de réception, comme celle décrite à la figure 1. Sur ltexemple de la figure 2 ces stations sont alignées. Si un tir est effectué à une station d'émission, les stations de réception chacune directive receuillent des signaux sismiques parvenant dans une direction recpective, et si un maximum d'énergie est recueilli à une station de réception, on en déduit la présence d'un miroir sismique à l'intersection entre la direction d'émission et la direction de réception correspondant à cette station, étant entendu que pour chaque station on peut faire varier la direction du lobe principal de réception. Par exemple, l'exploration peut consister à donner à toutes les stations une même première direction, correspondant à des points de réflexion possibles sur la droite D1 correspondant à la direction d'émission0 Si un maximum d'énergie est reçu à un capteur, on peut en déduire la position. et l'orienta- tion d'un miroir sismique. On recommence pour d'autres directions communes principales des stations de réception de manière à trouver les différents miroirs sismiques dans le soussol dans la direction D1 quel que soit l'orientation des miroirs. Enfin, les mêmes opérations peuvent être répétées en donnant d'autres directions à l'énergie émise par la station d'émission, et également en utilisant plusieurs stations d'émission réparties dans le plan vertical de sous-sol étudié et actionnées successivement. L'invention permet ainsi d'effectuer beaucoup plus facilement que dans la technique antérieure 1'apération qu'on appelle migration des positions de réflexions sismiques et qui consiste à localiser exactement dans le plan horizontal la position d'un miroir sismique qui a renvoyé un signal important vers un récepteur, en attribuant au miroir sismique sa vraie position dans le sous-sol et non celle du récepteur qui a enregistré la réflexion maximum. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'exploration sismique caractérisé par le fait qu'il consiste à : utiliser une station d'émission composée d'une pluralité de sources d'ébranlements sismiques réparties sur une longueur suffisante pour assurer une émission d'énergie directive avec un lobe principal d'émission ayant une ouverture de quelque degrés au plus, les sources étant susceptibles d'être actionnées avec un retard variable entre elles pour faire varier la direction du lobe principal, utiliser une station de réception composée d'une pluralité de capteurs sismiques répartis sur une distance suffisante pour assurer une réception d'énergie directive avec un lobe principal de réception ayant une ouverture de quelques degrés au plus, à à actionner les sources d'ébranlement avec des premières valeurs de retard d'actionnement entre elles, à enregistrer à la station de réception les signaux sismiques produits par les capteurs, à superposer les signaux issus des divers capteurs avec des décalages temporels variables entre eux, pour faire varier la direction du lobe principal de réception et pour déterminer ainsi l'énergie réfléchie par le sol au niveau de divers points de l'axe du lobe d'émission, à à actionner les sources d'ébranlement avec d'autres valeurs de retard d'actionnement entre elles, correspondant à d'autres directions de lobe d'émission d'énergie à enregistrer à la station de réception les signaux sismiques reçus à chaque fois, et, pour chaque actionnement des sources, à superposer les signaux issus des divers capteurs avec des décalages temporels variables entre eux. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise plusieurs stations de réception simultanément. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'on utilise plusieurs stations d'émission successivement.