Brevet FR2502794A1 — publié le 19821001

1. La présente invention concerne un procédé d'exploration sismique d'un milieu et plus particulièrement un procédé de prospection géophysique par ondes sismiques. Un procédé connu consiste à émettre une suite -d'impulsions d'amplitude sensiblement constante dans laquelle l'intervalle de temps entre deux impulsions successives est inférieur au temps de parcours T aller et retour d'une impulsion entre la surface du sol et l'interface géologique le plus profond auquel on s'intéresse, et dont la fonction d'autocorrélation se présente sous la forme d'un pic central encadré par des pics secondaires tel que le rapport entre ce pic central et les pics secondaires soit le plus grand possible. La valeur de ce rapport est très importante car c'est elle qui limite la profondeur de l'interface qu'il sera possible de détecter lorsque le procédé est mis en oeuvre. Une façon d'obtenir un grand rapport entre l'am- plitude du pic central et celles des pics secondaires consis- te à utiliser des intervalles de temps inégaux entre les -impulsions successives comme il est décrit dans le brevet français nO 1583239 (voir figure 1 annexée au présent mémoire descriptif). Suivant ce brevet, la suite d'impulsions émise a une durée tn supérieure à T et peut être représentée par une fonction du temps f (t) qui prend à certains instants -la valeur 1 et garde la valeur 0 le reste du temps, comme illustré sur cette figure 1, avec (ti + 1 - ti) (T. Si on utilise des intervalles de temps t1, t2, t3... ti tn, on trouvera des pics secondaires à des temps qui sont donnés par la valeur de chacun des intervalles, la -somme de deux intervalles successifs, la somme de trois intervalles successifs, etc..., l'amplitude du pic secondaire à chacun des temps étant égale au nombre de fois que le même intervalle a été utilisé dans la séquence ou le nombre de fois que la somme d'intervalles successifs donnera la même valeur (voir figure 2 qui illustre la fonction d'auto-corrélation de la suite d'impulsions émise avec un maximum d'amplitude n s'il y a "n" impulsions et des maxima secondaires aux temps: + t1; + t2***. + tn* En théorie, on peut donc obtenir de très grands rapports en utilisant un grand nombre d'intervalles diffé- rents mais en pratique on est très vite limité à un nombre réduit d'intervalles de temps possibles par l'emploi de la source sismique qui doit transmettre les impulsions sismiques dans le sol. En effet, une source est construite pour fonctionner à une certaine fréquence de répétition pour laquelle elle fournira sa puissance nominale. Si on augmente cette fréquence de répétition, l'amplitude des impulsions sismiques produites va diminuer et si on diminue cette fréquence, la source est alors mal employée et les résultats sismiques qu'on obtiendra seront moins bons puisqu'on aura dans le temps imparti à la transmission envoyé moins d'énergie dans le sol. On peut donner comme exemple de sources sismiques un canon à air comprimé pour lequel la cadence de répétition dépendra de la taille du compresseur qui l'alimente ou un marteau hydraulique pour lequel la cadence de répétition dépendra des caractéristiques de la pompe à huile. A signaler que la méthode actuelle qui oblige quelquefois à passer d'un intervalle de temps très court entre deux émissions à un intervalle de temps long n'est pas satisfaisant du point de vue de l'utilisation de la source, lui faisant subir des à-coups auxquels l'inertie propre à tout système physique l'empoche de répondre avec une pleine efficacité. Pour une source donnée, on est donc limité à un nombre d'intervalles de temps compris entre deux valeurs t1 et t2, t1 étant l'intervalle de temps minimum et t, l'intervalle de temps maximum. Entre t1 et t2, le nombre de valeurs distinctes dont on dispose est fini, car -l'enregistrement des signaux s'effectue avec un pas 3. d'échantillonnage et il n'y a aucune différence physique entre deux intervalles dont la différence est inférieure à la valeur du pas d'échantillonnage utilisé. Pour mieux faire comprendre la différence entre l'état de la technique actuelle et le procédé selon l'invention, on donnera ci-après un exemple chiffré. On supposera que l'on dispose d'une source dont on peut faire varier efficacement la cadence d'émission entre valeurs distinctes caractérisées par 10 intervalles de temps entre émissions successives t1 à atIO Il s'agit d'un nombre très réduit qui a été choisi pour faciliter les explications mais le principe resterait le même si ce nombre était plus élevé. Dans l'état de la technique actuelle, avec ces 10 valeurs on peut construire une suite d'impulsions telle que la fonction d'autocorrélation se présente sous la forme d'un pic central d'amplitude 10 et des pics secondaires d'amplitude 1 à des temps égaux à t1, t2... t10, puis (t1 + t2) etc... (voir figure 3). Si ce nombre de 10 impulsions n'est pas suffisant pour émettre assez d'énergie dans le sol, il faut émettre d'autres impulsions en utilisant à nouveau les mêmes intervalles t1 à t10. L'aihplitude des pics secondaires va alors augmenter. Par exemple, si on a besoin d'émettre 100 impulsions dans le sol, le mieux qu'on puisse faire est d'utiliser 10 fois chacun des intervalles de temps, pour une amplitude du pic central de 100 et une amplitude de chacun des pics secondaires de 9 (voir figure 4). Du point de vue du rapport de l'amplitude du pic central à l'amplitude des pics secondaires, il n'y a - eu pratiquement aucune amélioration. La technique actuelle est donc limitée par l'amplitude de ces pics secondaires qu'on appelle "bruit de corrélation". Pour décrire le procédé selon l'invention on reprendra les chiffres de l'exemple précédent, à savoir 100 impulsions à émettre avec 10 intervalles de temps différents, et on se référera aux figures 5 à 9 qui sont 4. des diagrammes des signaux entrant en jeu et de leurs phases de traitements. Ce procédé consiste alors à émettre d'abord une suite de 10 impulsions équidistantes l'intervalle de temps entre les impulsions étant t1, à enregistrer les signaux reçus par les détecteurs pendant une durée égale au temps séparant la première impulsion de la dernière augmentée du temps de trajet aller et retour T de la dernière impulsion entre la surface et l'interface le plus profond auquel on s'intéresse, à corréler les signaux reçus avec la suite représentant les temps d'émission des 10 impulsions, à transmettre une nouvelle suite de 10 impulsions équidistantes, l'intervalle de temps étant t2, puis à procéder comme pour la première séquence, à continuer à émettre de nouvelles suites d'impulsions caractérisées par le même nombre 10 mais des intervalles de temps t3 puis t4 etc... jusqu'à t10, enfin à sommer les résultats des 10 opérations succes- sives ainsi réalisées. Le détail de chacune des opérations ci-dessus est donné-ci-après: La figure 5 représente l'une des 10 suites d'impul- sions que l'on désignera par Ci (t) [illustré sur le schéma (a)] ainsi que les signaux reçus [schéma (b)] pendant un temps égal à la durée de la suite émise augmentée du -temps T précédemment défini. Si chaque impulsion de la suite Ci (t) a produit dans le sol un signal émis s(t) dont la forme dépend à la fois de la source choisie et de la nature de la surface du sol, on peut écrire que le signal transmis s'exprime par l'expression Ci(t) a s (t) (1). Par ailleurs, si on appelle R.C.log(t) le signal reçu par les détecteurs de surface lorsqu'une seule impulsion est transmise, le signal reçu lorsqu'on a transmis la suite Ci(t) s'exprime par: Ci(t)ys(t)xR.C.log(t) (2). Il a été dit que le signal reçu était alors corrélé avec la suite émise, c'est-à-dire avec Ci (t). Le résultat de la i 5. corrélation peut alors s'écrire AFC Ci(t)xs(t)XR.C.log(t) (3), AFC Ci (t) étant la fonction d'autocorrélation de la séquence C. (t). La figure 6 représente cette fonction d'autocorré- lation de Ci(t) (AFC) dans sa totalité, donc une durée égale à 9 t. ainsi que la durée de la fonction R.C.log(t) recher- i chée dont on sait seulement que la durée T est supérieure 3 ti. L'origine des temps à prendre en considération est le maximum de la fonction d'autocorrélation qui doit être calé sur le temps zéro de la fonction R.C.log(t). La figure 7 représente les 10 fonctions d'auto- corrélation de C1(t) à C1 (t) calées sur leur maximum ainsi que leur somme qui doit être effectuée selon la description de la nouvelle méthode. On remarque que le résultat final est un pic central d'amplitude 100 encadré de pics secon- daires d'amplitude 9. A ce stade le résultat est identique à celui obtenu par la technique précédente qui a été illus- tré par la figure 4. Le premier avantage du procédé selon l'invention réside dans une utilisation plus efficace de la source sismique qui fonctionne à plusieurs cadences fixes successi- ves plutôt que d'une façon désordonnée. Un deuxième avantage est aussi la possibilité d'atténuer les bruits de surface lorsqu'on utilise au moins deux sources. On supposera que l'on utilise deux sources synchrones S1et S2 espacées d'une distance di le long de la ligne reliant les détecteurs G et situées toutes les deux du même côté de ces détecteurs. On supposera également que l'émission de l'une de ces sources à la surface du sol produise une onde de surface se propageant horizontalement à la vitesse V (figure 8'o S1 et S2 sont les sources d'émission, V est la vitesse de propagation de l'onde de surface, ti est l'intervalle de temps entre les émissions des deux sources synchrones, di est la distance entre les deux sources lorsqu'elles émettent à la cadence ti). 6. Si on choisit la distance di entre les deux sources telle que ti l'intervalle de temps de la séquence émise soit égal à di/V, on constate que la deuxième émission de la source S2 se produira au moment o la première de S1 passera par -S2, il en résultera un renforcement de cette onde. Par contre, si on choisit d. tel que (k+1)d./V = 3t./2, il en résultera une atténuation du fait que des émissions de S1 et S2 se trouvent en opposition de phase. En ajustant la distance entre les sources pour chacun des intervalles de -temps utilisés l'effet se produira pour chacune des séquences d'émission alors que ceci n'est pas possible avec la technique actuelle qui utilise des intervalles de temps différents pour la même distance entre les sources. Un troisième avantage du nouveau procédé est -de pouvoir obtenir avec un nombre limité d'intervalles de temps différent un rapport de l'amplitude du pic central sur le bruit de corrélation aussi grand qu'on le désire. On notera une différence essentielle entre le procédé selon l'invention et la technique connue après une émission de -10 impulsions. Dans le cas de l'invention le bruit de corrélation est constitué en un certain nombre de pics secondaires de relativement forte amplitude mais apparaissant à des temps bien définis ti, 2ti, 3 ti, etc... alors que dans la technique actuelle l'amplitude des pics secondaires 25.est limitée à 1 mais ils apparaissent à des temps très différents t1, t2, t3.... t10, (t1 + t2), Puis (t2 + 3 etc... On peut tirer parti de cette différence en appliquant après émission de chaque série de 10 impulsions et corréla- tion, un opérateur de filtrage à 3 points constitué d'un pic -d'amplitude -1 suivi d'un pic d'amplitude 2 au temps ti et un pic d'amplitude -1 au temps 2t.. La figure 9 représente de gauche à droite: la fonction AFC Ci (t), l'opérateur de filtrage à trois points précédemment défini et le résultat du filtrage. On voit que l'amplitude des pics secondaires -a été annulée alors que celle du pic central est encore égale à 2. En théorie, on pourrait donc se contenter d'une seule séquence, tous les pics secondaires ayant 7. disparu. En pratique, l'atténuation pourrait être moins efficace s'il se produit de légères -variations des ti lors de l'émission d'une même séquence et on préférera répéter la même opération avec plusieurs ti de valeurs différentes. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre purement explicatif et nullement limitatif et que toutes modifications utiles pourront y être apportées sans sortir du cadre de l'invention, tel que défini par les revendications ci-après. 8. REVENDICATIONS 1. - Procédé pour l'exploration d'un milieu par émission codée d'impulsions mécaniques, caractérisé en ce qu'il consiste a émettre une première séquence de NI impul- sions mécaniques séparées par des intervalles de temps égaux t1 suivie par un temps d'écoute au moins égal au temps de parcours aller-retour d'une des impulsions de la surface du sol à la couche la plus profonde que l'on veut étudier, à corréler les signaux reçus par les détecteurs d'ondes méca- niques avec la séquence émise, à émettre une deuxième séquence de N2 impulsions mécaniques séparées par des inter- valles de temps égaux t2 mais différents de ceux de la première séquence, à procéder ensuite comme pour la première séquence, à continuer à émettre ensuite un nombre suffisant de séquences elles-mêmes caractérisées par des nombres d'impulsions Ni et par des intervalles différents ti, à som- mer les résultats des différentes corrélations, les Ni et ti ayant été choisis de telle façon que la somme des fonctions d'autocorrélation de chacune des séquences émises se présente sous la forme d'un pic central d'amplitude N1 + N2 + N3 +... Ni encadré par des pics secondaires tel que le rapport entre ce pic central et les pics secondaires soit supérieur au rapport des amplitudes des signaux réfléchis reçus dans des intervalles de temps correspondant aux intervalles de temps donnés séparant le pic principal de chacun des pics secondaires. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que après la corrélation des signaux reçus avec chaque suite, le résultat de cette corrélation est convolué avec un opérateur à 3 points constitué d'un pic d'amplitude -1 suivi d'un pic d'amplitude 2 à un temps égal à l'intervalle de temps entre deux émissions successives et d'un pic d'amplitude -1 à un temps égal à deux fois l'intervalle de temps entre deux émissions successives. 9. 3. - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les impulsions sont émises par au moins deux sources dont la distance les séparant est variable d'une séquence d'émission à l'autre. 4. - Procédé selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la distance entre les sources d'émission est choisie à chaque séquence en fonction de la vitesse de propagation des ondes de surface.