Brevet FR2475745A2 — publié le 19810814

FR 2475745 A2 19810814 FR 8003159 A 19800213 L'invention concerne la prospection géophysique par courants transitoires. Cette technique fait l'objet de la demande de brevet français NO 79 17 766, de la demanderesse ; on s'y réfèrera pour définir les bases de la prospection par courants transitoires. En l'absence de tout modèle qui en représenterait les lois, ce mode de prospection fait nécessairement appel l'interprétation par l'homme, compte-tenu des informations dont il peut disposer par ailleurs. Les mesures faites en différentes stations sont donc traitées pour aboutir à une représentation figurative des résultats, rapportée à la situation géographique des stations. Et le géophysicien y recherche, dans les signaux provenant des mesures, des "anomalies" dont il estime qu'elles correspondent à ses objectifs. Cette opération est délicate, car les signaux utiles ont un niveau proche de celui des bruits. On essaie autant que possible d'éliminer le bruit tant à chelon des nesures que par leur traiterent. La figure typique des résultats obtenue est une série d'anomalies représentes sous forme de sections temps ou de cartes. Un pas important est fait avec la présente invention pour améliorer la représentation des anomalies. La demanderesse a pu obtenir une configuration plus ordonnée, que l'oeil du géophysicien compare immédiatement à une structure de sous-sol -telle qu'on l'obtient en prospection du type sismique réflexion, par exemple. D'une manière générale, en prospection par courants transitoires, on dispose en coopération avec le sous-sol un dipôle émetteur ainsi qu'un dipôle récepteur sensible au champ électromagnétique, on applique répétitivement au dipôle émetteur un courant d'excitation impulsionnel comprenant un groupe d'impulsions de polarité alternée, suivies chacune par du courant nul, et on détecte répétitivement le signal transitoire qui en résulte à la sortie du dipôle récepteur. En pratique, ces opérations sont répétées, pour des implantations successives du dispositif émetteur récepteur en différentes stations d'une zone à prospecter. Autant que possible, les stations sont réparties sur une ou plusieurs rangées, dans chacune desquelles elles sont sensiblement alignées. Pour la détection sur le terrain du signal transitoire en fonction du temps, on définit des intervalles de temps respectivement consécutifs aux impulsions d'excitation et contemporains du courant nul d'excitation, ces intervalles de temps étant de durée prédéterminée, choisie pour couvrir sensiblement toute la partie utile du phénomène transitoire. On détecte alors à chaque fois le signal transitoire en fonction du temps au moins pendant ces intervalles de temps, avec échantillonnage, numérisation, et enregistrement temporellement repéré du signal détecté. En fait, il est souvent plus simple d'enregistrer continuellement sous forme numérique aussi bien le signal détecté que le courant d'excitation, celui-ci étant répété un grand nombre de fois.De préférence, la durée prédéterminée des intervalles de temps est comprise entre 1 seconde et 20 secondes environ, et le pas d'échantillonnage est compris entre 2 et 50 millisecondes. La suite du procédé intervient ultérieurement, ou éventuellement pour partie sur le terrain. On se rappellera que le traitement a pour but de fournir au géophysicien une représentation figurative du phénomène transitoire, tout en supprimant autant que possible les bruits non significatifs. Ce traitement commence par un prétraitement, qui comporte 11 élaboration d'une "représentation numérique brute" du mhenombne transitcire en fonction du temps, en réunissant ou composant statistiquement les passages de l'enregistrement numérique gui se correspondent temporellement, pour une même station de prospection. Très sim Plement, la composition statistique peut consister à faire les moyennes des différents jeux de valeurs numériques qui se correspondent. D'une manière plus sophistiquée, il est préférable d'éliminer les portions d'enregistrement trop perturbées, et l'on peut utiliser des moyens statistiques plus élaborés que la moyenne simple. Ensuite, le prétraitement comporte un filtrage numérique lissant qui fournit une "représentation numérique lissée" du phénomène transitoire, débarrassée d'une partie substantielle des bruits ambiants. Comme le décrit la demande de brevet N 79 17766, la pente en un point de la réponse transitoire peut être représentée par la constante de temps t de l'exponentielle a.e t/t qui passe au mieux en ce point de la réponse transitoire et en un nombre choisi n de points voisins de part et d'autre (en règle générale, I ç n . La demande de brevet antérieure préconisait de construire la figure finale destinée au géophysicien à partir de constantes de temps t et/ou amplitudes a ainsi obtenues, ou de leurs combinaisons. On a obtenu ainsi des indications d'anomalies sur une toile de fond informe. Et ces anomalies correspondaient assez bien aux parties les plus intéressantes des zones prospectées. La présente invention s'intéresse elle aussi aux variations de la pente de la réponse transitoire en fonction du temps, et ce, pour chaque station de prospection. En notant par une fonction du temps y(t) cette réponse transitoire, on préfère actuellement déterminer sa dérivée temporelle y't (t) = dy(t), ou mieux l'inverse de sa dérivée logarith- dt y moque yw ; on les appellera ci-après'Efonction indi- catrice", étant observé que, dans le cas de la dérivée logarithmique, la fonction indicatrice représente pratiquement, en fonction du temps, les constantes de temps d'exponentielles approchant au mieux la réponse transitoire. La demanderesse a observé que ces fonctions indicatrices I(t) sont affectées pour chaque station, d'une sorte de dérive -elles varient elles-mêmes en fonction du temps- et que cette dérive est assez semblable pour toutes les stations d'un profil géologique étudié, ou d'une partie de profil. Selon la présente invention, on recherche alors une indicatrice "régionale", qui représente la dérive commune à plusieurs stations. Et l'on soustrait cette dérive ou indicatrice régionale des fonctions indicatrices locales qui concernent individuellement chacune des stations. Les indicatrices "résiduelles" ainsi obtenues font alors l'objet de la représentation figurative finale destinée au géophysicien. On a pu constater qu'en mettant en oeuvre ce procédé sur une série de stations sensiblement alignées, et en construisant une section-temps (une coor- donnée d'espace, prise sur la ligne des stations, et la coordonnée de temps du phénomène transitoire), on a.pu obtenir une figure qui représente une structure ressemblant à la structure du sous-sol, telle qu'elle est fournie par la prospection géophysique en sismique réflexion. Ce faisant, il s'est avéré souhaitable que la réponse transitoire soit représentée avec une échelle temporelle de la forme racine carrée de t, pour être directement comparable à la représentation en échelle de temps linéaire de la sismique réflexion. Le moyen consistant a déterminer une "régionale" que l'on soustrait ensuite des courbes locales est connu d'une manière générale en géophysique, et la demande de brevet N0 79 17 766 proposait déjà de l'utiliser en pros pection par courants transitoires, dans un traitement différent de celui qui est proposé ici. La présente invention en fait une application particulière, qui donne accès a la connaissance de la structure du sous-sol. A l'heure actuelle, la demanderesse estime que la composante régionale de la réponse transitoire est souvent de la forme d'une exponentielle présen- tant un argur.ent qui est un polynôme du second degré en temps. Le procédé utilisé peut être défini de la façon suivante De manière connue, en chaque station de prospection, on enregistre des signaux numériques relatifs à la réponse transitoire du sous-sol, captée répétitivement par un dipôle récepteur consécutivement à l'excitation impulsionnelle répétée d'un dipôle émetteur, puis l'on effectue un traitement des signaux numériques enregistrés, afin d'obtenir, pour analyse par le géophysicien, une figure des réponses transitoires du sous-sol rapportées aux situations géographiques respectives des stations de prospection. Le traitement comprend , dans un prétraitement, une composition statistique des réponses répétitivement enregistrées pour chacune des stations. Selon l'invention, le traitement comprend ensuite les étapes suivantes - pour chaque réponse transitoire locale, c'est-à-dire associée à une station de prospection, ainsi composée, déterminer une fonction indicatrice locale liée aux variations de la pente de la réponse transitoire en fonction du temps - pour plusieurs stations de prospection, déterminer une fonction indicatrice régionale représentant en fonction du temps le "mode commun" des fonctions indicatrices locales respectivement associées aux stations concernées - déterminer des indicatrices résiduelles pour chacune des stations concernées, par soustraction de l'indicatrice régionale à chacune des indicatrices locales ; et - représenter ces indicatrices résiduelles en fonction de la position géographique des stations concernées, ce qui donne une représentation de certains traits de la structure du sous-sol. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels La Figure 1 illustre un exemple de dispositif de terrain pour la mise en oeuvre de l'invention, Les Figures 2A et 2B illustrent respectivement une forme de courant d'excitation, et l'allure du signal détecté correspondant, La Figure 3 est un graphique illustrant les deux premières étapes du prétraitement des signaux détectés, La Figure 4 est un graphique illustrant l'étape de normalisation d'après la réponse théorique du sous-sol simplifié, La Figure 5 illustre l'allure de la représentation monotone de la réponse transitoire obtenue auprès normalisation, La Figure 6 illustre l'allure d'une indicatrice locale obtenue comme dérivée logarithmique de la courbe de la Figure 5, ainsi qu'une indicatrice régionale, et La Figure 7 illustre l'allure d'une indicatrice résiduelle obtenue par différence à partir des courbes de la Figure 6, et servant de base à la representation figurative selon l'invention. Le point de départ de la présente invention est semblable à celui de la demande de brevet 79 17 766 (nomme-eci-après "demande antérieure"). De nombreuses caractéristiques de cette demande antérieure sont d'ailleurs utilisables avec avantage pour la mise en oeuvre de la présente invention. En une station de prospection donnée, on dispose donc sur deux lignes paralleles LI et L2 un dipôle émetteur AB et un dipôle récepteur N (Figure 1, par exemple). Une source 10 applique au dipôle émetteur un courant d'excitation défini par une forme d'onde impulsionnelle répétitive (Figure 2A), comprenant des impulsions de courant de polarité alternée (+Io, -Io), suivies chacune par du courant nul. En même temps, au niveau du détecteur 20, on détecte répétitivement le signal transitoire qui en résulte aux bornes du dipôle récepteur (Figure ZB). Ici, les impulsions et les intervalles de temps de courant nul ont la même durée sst, mais on peut envisager de nombreuses variantes, tant en ce qui concerne la forme du courant d'excitation que l'agencement des dipôles sur le terrain.Sont à considérer les variantes décrites dans la demande de brevet antérieure, notamment à propos de ses Figures 2 à 4, ou mieux 5 à 7, pour les dipôles, et de ses Figures 11 à 14 en ce qui concerne les formes avantageuses du courant d'excitation. A côté de cela, la durée des intervalles de temps de courant nul est choisie suffisamment longue pour couvrir toute la partie utile du phénomène transitoire. Au moins pendant ces intervalle de temps (mais en pratique, continuellement), on échantillonne et numerise avec précision le signal détecté (Figure 2B). Ensuite, on enregistre les signaux ainsi numérisés de manière temporellement repérée. Ensuite interviens le prétraitement. Par une moyenne ou un traitement statis tique plus élaboré, on compose ou réunit les diffé rentes réponses transitoires successives (V1+, V1- etc. Figure 2B en tenant compte du signe) ce qui donne une représentation numérique brute du phénomène tran sitoire attaché à la station de prospection concernée. La Figure 3 illustre cette représentation numérique brute sous la forme de la courbe RNB. Ensuite, le prétraitement fait intervenir un filtrage numérique lissant, qui fournit une repré sentation numérique lissée RNL du phénomène transitoire (Figure 3). Plusieurs types de filtrages numériques lissants, utilisables séparément ou-en combinaison, sont décrits dans la demande antérieure. Par exemple, on peut utiliser un filtrage par des fonctions cubi que s, sur les intervalles de temps délimités par t'1, t'2, t'3, t'4 (Figure 3). Comme dans la demande antérieure, il est avantageux de procéder ensuite à une normalisation de la courbe ou représentation numérique lissée. Les normalisations antérieurement décrites sont utilisables. La demanderesse considère actuelle ment qu'il est utile, pour faciliter les traitements ultérieurs, de donner à la oourbe lissée une variation d'alors monotre, cettecourbe étant caractérisée par le fant que toutes sesvurs sait positives. Pour cela, on peut, connaissant un modèle simplifié du sous-sol, tabulaire - c'est-à-dire à couches parallèles -, déterminer numériquement la réponse transitoire de ce sous-sol simplifié d'après le courant d'excitation effectivement utilisé. Illustrée en CT (courbe théorique) sur > figure 4, cette réponse transitoire théorique du sous-sol simplifié est ramenée à la même échelle que la représentation numérique lissée RNL, de manière connue (par exemple à l'aide de la réponse au créneau de. courant Io). Par différence entre les courbes RNL et CT, on obtient une représentation numérique lissée d'allure monotone pNLX (figure 5), qui sert de base au traitement proprement dit. On réalise alors une approximation par exponentielles en différents points de la courbe RNLM de la Figure 5. C'est-à-dire que l'on recherche une courbe de la forme a. exp ( 1 ri qui passe au mieux par le point ou échantillon numérique considéré sur la couche RNLM, ainsi que par n echantillons numériques, en amont et de préférence le même nombre d'échantillons numériques en aval. Généralement, on a 1$ 1 nS 5, et en pratique n est souvent pris égal à 2. La courbe exponentielle ainsi définie a naturellement la même pente que la courbe RNLM au point considéré. Très avantageusement, on associe alors au point concerne la constante de temps ti, dont on notera qu'elle est liée à la dérivée logarithmique de la fonction exponentielle ci-dessus (et par conséquent de la courbe RNLM au même point), dérivée logarithmique dont elle est l'inverse, changé de signe. En pratique, on peut aussi, directement calculer numériquement la dérivée temporelle logarithmique des points -échantillons définissant la courbe RNILM, en utilisant là encore n points de part et d'autre. D'une manière plus générale, on peut calculer une dérivée simple, toujours avec n points de part et d'autre, ou encore déterminer numériquement d'unie autre manière les variations de la pente de la courbe RNLM en fonction du temps, ou bien les variations du rapport pente/amplitude. La Figure 6 montre par exemple, en trait plein, renverse de la dérivée logarithmique (changEe de signe) de la courbe RNLM de la Figure 5. (On prendra dans 2asuit le cas de l'inverse de la dérivée logarithmique). Bien entendu, le processus décrit ci-dessus se fait pour plusieurs stations de prospection. Pour chacune d'entre elles, on obtient une courbe de la forme illustrée en trait plein sur la Figure 6 ; cette courbe, ou plutôt sa représentation numériques définit une fonction indicatrice locale (IL) pour choque station. En considérant les indicatrices locales d'un groupe de stations, on définit selon la présente invention une indicatrice régionale associée à ce groupe de stations, et qui représente le "mode commun" de leurs indicatrices locales. Pour obtenir le "mode commun", on peut simplement faire la moyenne des indicatrices locales prises en considération. Ce faisant, il a été observé que, pour les dérivées logarithmiques, le logarithme de l'indicatrice régionale peut être sensiblement une parabole (fonction définie par un polynôme du second degré en temps). Ainsi donc, on pourra rechercher le "mode commun" sous la forme de la meilleure fonction d'approximations des indicatrices locales par une fonction du second degré en temps. Le "mode commun" en indicatrice régionale possède par exemple la forme illustrée en trait tireté référencé IR sur la Figure 6. Ce mode commun peut être considéré comme la dérivée logarithmique d'une "réponse transitoire régionale", de la forme A. exp (a.t2 + b.t + c) compte tenu des observations de la demanderesse. Si les indicatrices locales sont définies par des dérivées simples ou par une autre fonction des variations, on pourra toujours en trouver le mode commun, éventuellement en dérivant la réponse transitoire régionale ci-dessus (ou en prenant de celle-ci la même fonction des variations que pour les indicatrices locales). Comme précédemment indiqué, la réponse régionale peut être prise pour tout ou partie des stations d'exploration. Dans le cas ou ces dernieres sont disposées géographiquement selon un réseau à deux dimensions, on pourra, de la manière décrite dans la demande de brevet antérieure, rechercher des surfaces géométriques du second degré (suivant des coordonnées d'espace x, y) qui approchent au mieux les courbes locales sur des zones courantes de dimensions choisies. Quelle que soit la définition des indicatrices locales et régionale, I'opération suivante consiste à faire la différence entre chaque indicatrice locale et l'indicatrice régionale, ce qui donne à chaque fois un résidu dont un exemple est illustré sur la Figure 7. En prenant, par exemple, une serie de stations de prospections alignées, on peut faire une représentation des résidus ou l'axe horizontal correspond aux stations, distribuées suivant leur distance, et l'axe vertical à la variable du temps du phénomène transitoire. Sur ce graphique, dit section-temps, sont alors portées des courbes de niveaux ou des points de densité variable en fonction des résidus obtenus selon la présente invention. On constate que la figure ainsi obtenue ressemble à une structure de sous-sol, pour l'oeil du géophysicien. Des expériences ont été conduites pour des terrains sur lesquels on disposait par ailleurs de sections-temps obtenues par prospection géophysique du type sismique réflexion. Des mesures ont également été effectuées selon la présente invention, avec le dispositif de terrain de la figure 1 (AB = 1500 m ; MN = 500m environ) et une forme d'onde d'excitation selon la figure 2A. Ces mesures se trouvaient présenter un faible niveau de bruits (bruit tellurique, notamment). Après l'enregistrement numérique, on a effectué un prétraitement, avec recomposition statistique de la réponse transitoire en chaque station à partir des signaux de mesure élémentaires, puis lissage par filtrage numérique, du type à calcul de la valeur moyenne sur une fenêtre d'intégration courante de largeur constante, puis normalisation par rapport à la réponse transitoire théorique associée à la structure tabulaire simplifiée associée à la section-temps obtenue en sismique réflexion (d'où une représentation numérique du genre RNLM décrit plus haut). Le traitement a été fait à partir de ces représentations ou courbes RNLM, dont on a pris la dérivée logarithmique, pour obtenir les indicatrices locales associées aux différentes stations. Ensuite a été recherchée une indicatrice régionale, approchant au mieux l'ensemble des indicatrices locales, tout en correspondant à la dérivée logarithmique d'une réponse régionale de la forme A. exp (at + bt + c) Enfin on a déterminé les indicatrices résiduelles par différence entre les indicatrices locales et l'indicatrice régionale. Une figure en section-temps a alors été faite, de la manière décrite plus haut, puis comparée à la section-temps de sismique réflexion. Dans les deux cas, on retrouvait les mêmes grandes lignes de la structure du sous-sol, avec les failles et autres reliefs à pendage. L'échelle des distances des sections temps était bien entendu la même dans les deux cas. Par contre, la demanderesse a observé qu'on obtenait une meilleure corres?oncdance des représentations transitoires et sismiques en utilisant une échelle des temps arithrétivue pour le sismique et en racine carre pour le transitoire. Le faible niveau de bruit des mesures est considrl comme important pour que la figure finale représente une structure. A cet égard, on utilise avantageusement les moyens de réduction de bruit de la demande antérieure - dispositifs de terrain spéciaux tels que double dispositif Schlumberger, dipôle-dipôle perpendiculaire avec symétrie, ou dipôle-diple magnétique symétrique. - formes adaptées du courant d'excitation, notamment distribution aléatoire dans le temps, et/ou triplets d'impulsions, et/ou impulsions à deux créneaux très proches de polarité alternée. - composition statistique et filtrage numérique lissant de qualité, éventuellement en essayant plusieurs filtrages différents. Outre la normalisation par la réponse théorique du sous-sol simplifié, ou pourra utiliser une ou plusieurs des autres normalisations de la demande de brevet antérieur. Pour le traitement selon la présente inven tion, l'indicatrice régionale peut être recherchée pour un domaine limité contenant une partie seulement des stations de prospection. Bien que la nature de la "régionale" ne soit pas la même ici que dans la demande antérieure, les moyens de détermination d'une régionale qui y ont été décrits, ou qui sont connus par ailleurs, demeurent applicables à la présente invention. D'une maniere générale toutes les variantes prévues dans la demande de brevet antérieure nO 79 17 766 sont utilisables selon la présente invention, et leur description est à considérer comme incorporée au présent texte, pour servir à définir la portée de la présente invention. Par ailleurs, bien qu'une section-temps n'ait qu'une coordonnée d'espace, le traitement selon la présente invention peut se faire sur deux coordonnées d'espace et une coordonnée de temps. L'indicatrice régionale est déterminée sur tout ou partie des stations. Et lton a finalement une indicatrice résiduèlle par station. A partir de là, on peut construire des sections-temps, pour des stations alignées ou presque ; sur une carte de la disposition géographique des stations, on peut aussi faire apparaître une valeur du phénomène transitoire : amplitude de l'indicatrice résiduelle pour une valeur donnée du temps par exemple (valeur instantanée ou pondérée). R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de prospection géophysique par courants transitoires, selon l'une des revendications de la demande de brevet nb 79 17766, dans lequel, en chaque station de prospection, on enregistre des signaux numériques relatifs à la réponse transitoire du sous-sol, captée répétitivement par un dipôle récepteur consécutivement a l'excitation impulsionnelle répétée d'un dipôle émetteur, puis l'on effectue un traitement des signaux numériques enregistrés, afin d'obtenir, pour analyse par le géophysicien, une figure des réponses transitoires du sous-sol rapportées aux situations géographiques respectives des stations de prospection, ce traitement comprenant, dans un prétraitement, une composition statistique des réponses répétitivement enregistrées pour chacune des stations caractérisé par le fait que le traitement comprend ensuite les étapes suivantes - pour chaque réponse transitoire locale, c'est-à-dire associée à une station de prospection, ainsi composée, déterminer une fonction indicatrice locale liée aux variations de la pente de la réponse transitoire en fonction du temps - pour plusieurs stations de prospection, déterminer une fonction indicatrice régionale représentant en fonction du temps le "mode commun" des fonctions indicatrices locales respectivement associées aux stations concernées - déterminer des indicatrices résiduelles pour chacune des stations concernées, par soustraction de l'indicatrice régionale à chacune des indicatrices locales ; et - représenter ces indicatrices résiduelles en fonction de la position géographique des stations concernées, ce gui donne une- representation de certains traits de la structure du sous-sol. 2. Procédé selon la revendication 1, carac térisé par le fait qu'après le prétraitement qui comporte la composition statistique, en une représentation numérique brute, du phénomène transitoire des réponses répétitivement enregistrées pour chacune des stations, puis un filtrage numérique lissant, qui fournit une représentation numérique lissées du phénomène transitoire, et avant les opérations de traitement précitées, on effectue une normalisation de la représentation lissée, en lui soustrayant une courbe théorique représentant le champ électromagnétique transitoire que créerait le courant d'émission pour un sous-sol simplifié, ce qui donne une représenta tion numérique lissée normalisée. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la détermination des fonctions indicatrices locales comprend le calcul de la dérivée temporelle de chacune des réponses transitoires. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la détermination des fonctions indicatrices locales comprend la détermination de rapports entre la pente de la réponse transitoire et l'amplitude de cette même réponse transitoire. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 4, caractérisé par le fait que la détermination des fonctions indicatrices locales comprend le calcul de la dérivée logarithmique de chacune des réponses transitoires. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la fonction indicatri ce régionale est déterminée en assimilant la réponse transitoire régionale à une exponentielle. 7. Procédé selon la revendication 6, carac térisé par le fait que la réponse régionale est assi milée à une exponentielle dont l'argument est un polynôme du second degré en fonction du temps. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la représentation finale, sous forme de figure dite section-temps, est faite avec une échelle de temps exprimée en racine carrée de la coordonnée de temps du phénomene transitoire. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les fonctions indicatrices locales sont du type rapports pente-amplitude de la réponse transitoire, caractérisé par le fait que la représentation finale porte sur l'inverse de ces rapports 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que la pente de la réponse transitoire en un point donné est déterminée en recherchant une exponentielle passant au mieux par ce point, et par n points voisins d'un côté, ainsi que de l'autre côté, avec n de préférence inférieur ou égal à 5.