Brevet FR2527340A1 — publié le 19831125

La présente invention est relative à un dispositif de prospection géophysique par la méthode sismique haute résolution faisant appel à l'étude de la réfraction et de la réflexion d'une onde sismique provoquée artificiellement. A l'heure actuelle, l'onde sismique provoquée est obtenue par l'explosion d'une charge d'explosif enfouie plus ou moins profondément dans le sol. Cette manière de faire, qui donne de bons résultats, est impossible à utiliser dans certaines zones et notamment en zone urbaine. Ceci a amené de nombreux Chercheurs à rechercher et mettre au point d'autres sources sismiques permettant d'émettre des signaux de haute fréquence, afin de pouvoir remplacer les explosifs de manière à rendre la méthode utilisable sans danger sur tous terrains. Ainsi,on a préconisé l'utilisation comme sources sismiques - la chute des poids - un camion vibrateur - le canon à air - le canon à eau - des dameuses - des dameuses et rouleaux-compresseurs utilisés pour les travaux publics. Aucun de ces dispositifs utilisés n'a donné entière satisfaction : soit par manque de répétitivité du signal, soit par manque de puissance de la source, origine du très mauvais rapport signal/bruit aléatoire. La présente invention s'est en conséquence fixé pour but de pourvoir à un dispositif de prospection par la méthode sismique, qui répond mieux aux nécessités de la pratique que les dispositifs visant au même but antérieurement connus, notamment en ce qu'il peut être mis en oeuvre en toutes zones (urbaines ou non), tout en produisant un signal bref et parfaitement répétitif et d'une puissance suffisante pour avoir un excellent rapport signal/bruit aléatoire et partant, une très bonne profon deur d'investigation. La présente invention a pour objet un dispositif de prospection géophysique, caractérisé en ce qu'il est constitué par la combinaison - d'une source sismique haute résolution formée d'un mou ton formé d'une masse mobile projetée vers le haut par une chambre à explosion et d'un sabot fixe reposant sur une embase en matériau rigide, - d'un moyen de synchronisation de haute précision permet tant de déclencher l'enregistrement en temps O de l'im pact, constitué par un capteur piézo-électrique fixé sur la partie fixe dudit mouton (le sabot ou l'embase - d'un enregistreur numérique multivoies permettant l'ad dition et la visualisation des signaux, et - d'un appareil électrique d'acquisition du signal permet tant l'amélioration du rapport signal/bruit parla mul tiplication des impacts et l'écrêtage des bruitalea- toires. Cet ensemble portatif et très maniable, permet d'émettre des signaux brefs et de haute fréquence, et de faire une analyse desdits signaux réfléchis ou réfractés par les couches des terrains composant le sous-sol. Selon un mode particulièrement avantageux du dispositif objet de la présente invention, la masse mobile du mouton a un poids compris entre 75 et 400 kg, et de préférence voisin de 100 kg, le sabot est de forme cônique et d'un poids compris entre 6 et 30 kg, l'embase a un poids compris entre 10 et 40 kg, et la hauteur de la chute de ladite masse mobile du mouton de battage est comprise entre 0,40 et 1,00 m, et de préférence voisine de 45 cm. Suivant un autre mode de réalisation avantageux de l'objet de la présente invention, le dispositif est pourvu en outre d'un appareil pouvant programmer la fréquence et le nombre des coups. Conformément à l'invention, l'appareil d'acquisition du signal pour favoriser dans l'addition des si gnaux la part provenant du signal émis par rapport à la part provenant du bruit ambiant aléatoire en écrêtant le signal analogique qui arrive à l'enregistreur, est composé de deux diodes tête-bêche placées après le dispositif d'amplification et après filtrage. La présente invention est également relative à un procédé de prospection géophysique à l'aide du dispositif conforme à la présente invention, caractérisé en ce que l'on enregistre à l'endroit choisi, l'onde sismique provoquée par la chute de la masse du mouton sur le sabot et l'embase, ladite onde reçue pouvant être, si on le désire, cumulée avec d'autres ondes successives au moyen des chutes répétées et éventuellement programmées de ladite masse dans des conditions'identiques, les signaux additionnés étant auparavant écrêtés pour favoriser le signal au détriment du bruit ambiant. Selon un mode de réalisation avantageux du procédé objet de la présente invention, les signaux sont enregistrés par l'enregistreur numérique multivoies qui permet l'addition et la visualisation directe des signaux. Selon un autre mode de réalisation particulièrement avantageux du procédé objet de la présente invention, les signaux sont en outre enregistrés sur bande magnétique pour être analysés et traités par un ordinateur. Selon un mode de réalisation avantageux de l'objet de l'invention, l'amplification, le filtrage, l'écrêtage, suivis de l'addition et de la visualisation des signaux sur enregistreur multivoies (éventuellement suivis d'un enregistrement sur bande magnétique), sont associés aux sources sismiques répétitives classiques. Selon un mode de réalisation avantageux de l'objet de l'invention, l'on effectue l'écrêtage du signal après l'amplification et avant l'addition, par tout dispositif d'écrêtage approprié. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions qui ressorti ront de la description qui va suivre. La présente invention vise particulièrement un dispositif et un procédé de prospection géophysique conforme auxdispositions qui précèdent, ainsi que les moyens propres à la mise en oeuvre de ce dispositif et de ce procédé. L'invention pourra être mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique du mouton, - la figure 2 représente un exemple d'acquisition du signal, et - la figure 3 représente deux exemples de fonctionnement terrestre et maritime. Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes, sont donnés uniquement à titre d'illustration de objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. Dans le procédé d'étude sismique selon l'invention, on utilise comme source d'onde sismique provoquée le mouton de battage à explosion (par exemple de Marque "DELMAG"). La masse mobile 1 représentée à la figure 1, contient la chambre à explosion 2 qui la propulse vers le haut, dans un premier temps, par explosion du mélange gazeux introduit dans cette chambre à explosion, puis elle retombe sous l'effet de son propre poids dans un deuxième temps , la masse a un poids par exemple d'une centaine de kilogrammes et sa hauteur de chute 5 est d'environ 45 cm. Une telle source sismique produit un signal bref et parfaitement répétitif qui permet de faire un enregistrement cumulatif par répétition du signal émis. Le récepteur enregistreur qui est par exemple de type numérique (par exemple "NIMBUS"), est évidemment synchronisé avec la source sismique, de manière à ne permettre d'enregistrer que le choc de descente ou les chocs de montée et de descente cumulés. Dans le cas où on utilise seulement le choc de descente, la présence du choc de montée n'est pas gênante car ce dernier est beaucoup plus faible et moins bien synchronisé. La masse 1 retombe donc sur le sabot 3 cônique en acier, pesant environ 10 kg, lequel repose sur l'embase 4. Cette dernière peut être par exemple (non limitativement) en aluminium de 80 cm de large et de 120 cm de long. Ce dispositif peut être déplacé tel quel, posé sur l'embase en aluminium, sans aucun dommage pour les routes. La chambre à explosion 2 peut être munie par exemple d'un appareil électrique qui produit un nombre de coups voulu et programmé dans le temps : ceci facilite grandement la tache et évite les manipulations fastidieuses. Sur le sabot 3 est fixé un capteur piézoélectrique (non représenté sur la figure). Le fait que ce capteur soit fixé sur une partie fixe en métal, permet une grande précision. Grâce à cette précision, on peut additionner les signaux de haute fréquence nécessaire à la haute résolution jamais encore égalée par aucun dispositif de l'Art antérieur. Pour bien discriminer les signaux utiles des signaux dûs aux bruits ambiants, les signaux électriques analogiques du récepteur-enregistreur d'ondes sismiques sont écrêtés au moyen de deux diodes d'écrêtage têtebêche, montées après le dispositif d'amplification et après le filtrage. Cet écrêtage n'affecte pratiquement que la partie du signal correspondant aux bruits ambiants et, lors du cumul des signaux, les parties des signaux correspondant aux bruits ambiants qui sont aléatoires s'annulent plus ou moins, tandis que les parties des signaux correspondant à l'onde sismique étudiée s'additionnent, faisant ainsi nettement ressortir le signal utile. La figure 2 représente précisément un exemple d'acquisition du signal. Les parties écrêtées dues aux bruits aléatoires sont hâchurées (a) pour le premier coup A et (b) pour le deuxième coup B. La courbe c tracée sur la plage d'enregistrement p représente le signal effectivement enregistré. Le diagramme C représente l'addition des signaux : d pour les bruits aléatoires et e pour les signaux proprement dits. Le procédé conforme à la présente invention procure un rapport signal/bruit 3 fois supérieur au rapport signal/bruit que donnerait l'addition seule, sans le dispositif d'écrêtage. Le dispositif conforme à la présente invention est facilement transportable ; il peut être monté par exemple à l'arrière d'un véhicule ou d'une remorque, il peut être monté derrière un tracteur ou tout autre véhicule, ou même il peut être adapté à un dispositif de flottaison (bateaux ou analogues) pour constituer une source maritime. Le procédé conforme à la présente invention évite le maniement d'explosifs et peut donc être utilisé en tous lieux et notamment en zone urbaine. Du fait qu'il permet une étude des ondes réfractées et réfléchies avec une haute résolution, il est apte à etre utilisé dans tous les domaines du génie civil, de la recherche minière et de la recherche pétrolière, ainsi que pour les études de jonction entre le terrestre et le maritime. Le procédé utilisé pour la réflexion haute résolution doit permettre une profondeur d'investigation de l'ordre de 3 000 mètres. Etant donné la finesse de résolution, cette méthode conviendrait particulièrement pour l'étude des gisements pétroliers en cours d'exploitation. Dans ce cas, il serait souvent nécessaire d'effectuer un faible kilométrage de profils sismiques "réflexion". Cette méthode est également bien adaptée partout où l'on a besoin d'un matériel portable (forêts, monta gnes, zones urbanisées). Elle conviendrait particulièrement bien pour des études de jonction entre terrestre et maritime. Ceci par exemple dans le cas où le dispositif conforme à la présente invention serait monté sur un dispositif de flottaison. Il peut aussi être utilisé pour des applications sismiques de mesures en sondages, notamment pour la réalisation de profils sismiques verticaux en sondages. Ces mesures ont pour but de distinguer les horizons réfléchissants réels des horizons multiples. La figure 3 représente deux exemples schématiques de fonctionnement : terrestre 3a et maritime 3b. Dans le premier cas, la masse mobile et le sabot 3 sont posés sur l'embase 4 en métal. Cette dernière comporte l'appareil électrique 7 pour programmer le nombre et la fréquence des coups, ainsi que l'appareil 8 de synchronisation (le capteur piézo-électrique). L'onde sismique 9 captée par le géophone 10 est écrêtée par le dispositif d'écrêtage 12 placé après l'amplificateur-filtre 11, puis elle est enregistrée sur l'enregistreur 13. Dans le cas représenté sur la figure 3a, on a prévu également un enregistreur magnétique 14 pour traitement par ordinateur. Dans le cas de fonctionnement maritime, l'embase 4 du dispositif de prospection géophysique repose sur un matériau rigide et protecteur 15 pour la protection du bateau 16 porteur dudit dispositif. L'onde sismique 9 captée par le capteur 10 est enregistrée par les appareillages qui se trouvent à bord des bateaux d'exploration 17. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la présente invention. Ainsi, dans l'utilisation marine et terrestre, le dispositif d'enregistrement peut aussi être utilisé avec une source répétitive existante, autre que celle décrite dans la présente invention. REVENDICATIONS 1- Dispositif de prospection géophysique, caractérisé en ce qu'il est constitué par la combinaison - d'une source sismique haute résolution formée d'un mou ton formé d'une masse mobile (1) projetée vers le haut par une chambre à explosion, et d'un sabot fixe (3) re posant sur une embase (4) en matériau rigide, - d'un moyen de synchronisation de haute précision permet tant de déclencher l'enregistrement au temps O de l'impact, constitué par un capteur piézo-électrique (8) fixé sur la partie fixe dudit mouton (le sabot ou l'embase), - d'un enregistreur numérique multivoies permettant l'ad dition et la visualisation des signaux, et - d'un appareil électrique d'acquisition du signal permet tant l'amélioration du rapport signal/bruit par la multiplication des impacts et l'écrêtage des bruits aléatoires. 2"- Dispositif selon la Revendication 1, caractérisé en ce que la masse mobile (1) du mouton a un poids compris entre 75 et 400 kg et de préférence voisin de 100 kg, le sabot fixe (-3) est de forme cônique et d'un poids compris entre 6 et 30 kg, l'embase (4) a un poids compris entre 10 et 40 kg, et la hauteur de la chute de ladite masse mobile (1) du mouton de battage est comprise entre 0,40 et 1,00 m, et de préférence voisine de 45 cm. 30 Dispositif selon l'une quelconque des Revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif est pourvu en outre, d'un appareil (7) pouvant programmer la fréquence et le nombre des coups. 40 Dispositif selon l'une quelconque des Revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'écrêtage du signal est réalisé par deux diodes tête-bêche, placées après le dispositif d'amplification et après filtrage. 5"- Dispositif selon l'une quelconque des Revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'embase (4) est associée à un matériau rigide et protecteur (15) lorsque le dispositif est porté par un bateau (16) lors d'explorations maritimes. 6 - Procédé de prospection géophysique à l'aide du dispositif selon les Revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on enregistre, à 11 endroit choisi, l'onde sismique provoquée par la chute de la masse (1) du mouton sur le sabot (3) et l'embase (4), ladite onde reçue ou- vant être, si on le désire, cumulée avec d'autres ondes successives au moyen de chutes répétées t éventuellement programmées de ladite masse (1) dans des conditions identiques, les signaux additionnés etant auparavant ampli- fiés, filtrés, puis écrêtés pour favoriser Le signal au détriment du bruit ambiant. 7 - Procédé selon la Revendication 6, caracté- risé en ce que les signaux sont enregistrés pa- l'enregis- treur numérique multivoies qui permet l'addition et la visualisation directe des signaux 8 - Procédé selon l'une quelconque des Revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les signaux sont en outre enregistrés sur bande azagnëtique,pour entre analysés et traités par un ordinateur. 9 - Procédé selon la Revendication 6, caractérise en ce que l'amplification, le filtrage, lXécretage, suivis de l'addition et de la visualisation des signaux sur enregistreur multivoies (éventuellement suivi d'un enregistrement sur bande magnétique;, sont associes aux sources sismiques répétitives classiques. 100 Procédé selon l1une quelconque des Revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l'on effectue l'écrê- tage du signal après l'amplification et avant l'addition, par tout dispositif d'écrêtage approprié.