Brevet FR2671638A1 — publié le 19920717

METHODE DE DETECTION DE DISCONTINEJITES NECANIQUES DANS UN MILIEU A EXPLORER La présente invention concerne une méthode de détection de discontinuités mécaniques dans un milieu à explorer et plus particulièrement, des cavités situées dans les premières couches du sous-sol. Le sous-sol situé à proximité de la surface du sol peut comporter des cavités ou simplement des discontinuités mécaniques qu'il est important de connaitre soit lorsqu'on souhaite réaliser des ouvrages sur ladite surface du sol, soit lors de la surveillance constante du sous-sol après réalisation desdits ouvrages. Il en est ainsi pour les ouvrages tels que les voies de communication, terrestres ou ferroviaires, qu'elles soient en surface ou dans des tunnels. En effet, la connaissance des cavités ou discontinuités mécaniques avant la réalisation est indispensable pour le choix du tracé de la voie de communication. Par ailleurs, l'apparition des cavités ou discontinuités mécaniques doit être également détectée pour la prévention des incidents susceptibles de survenir. Par cavités, on entend une poche remplie d'un matériau peu consolidé ou pulvérulent ou d'un fluide quelconque liquide ou gazeux. Par discontinuité mécanique, on entend un espace d'épaisseur aussi faible soit-elle, délimité par deux couches de terrain et rempli d'un matériau peu consolidé ou pulvérulent ou d'un fluide liquide ou gazeux. Le comportement physique étant le même pour une cavité et une discontinuité mécanique au regard du procédé selon l'invention, on n'utilisera dans ce qui suit que le terme de cavité. La prospection sismique est largement utilisée pour connaître la composition du sous-sol profond, on fait alors de la sismique refléxion et/ou réfraction, ou la continuité ou discontinuité des parois entourant un puits de forage et il s'agit alors de la diagraphie acoustique. Les points communs entre ces différentes sismiques sont l'émission d'ondes acoustiques, l'enregistrement des signaux de retour reçus sur des récepteurs et le traitement des signaux enregistrés, la géométrie des dispositifs d'émission et de réception et le traitement des signaux enregistrés étant différents d'une sismique à 1 'autre. La prospection sismique (réfraction ou réflexion, ondes P ou S) s'intéresse à des objets particuliers, les dioptres, ou interfaces entre deux couches géologiques qui présentent des propriétés physiques ou caractères géologiques différents, donc un coefficient de réflexion à leur limite commune. Les méthodes sismiques usuelles fournissent essentiellement le temps de trajet des ondes, nécessaire pour atteindre ces dioptres. D'autres grandeurs sont aussi mesurées, comme la vitesse moyenne des milieux sus-jacents, ou l'amplitude de la réflexion. La présence des cavités sur le trajet des ondes entre l'émetteur et le dioptre réflecteur se traduit par des variations des temps de trajet, et des amplitudes. Ces variations doivent être corrigées (corrections statiques) pour que l'image du réflecteur soit correctement rendue. En général, on ne s'interesse pas aux variations elles-mêmes car elles ne présentent aucun intérêt pour l'étude des dioptres ou des couches géologiques. Les cavités ont là un effet parasite que l'on essaie simplement de compenser au mieux, dans les méthodes sismiques classiques. Différentes méthodes peuvent être utilisées pour évaluer les corrections statiques dues à des cavités ou à des anomalies dans les premières couches de terrain traversées par les ondes : elles sont fondées sur les carottages sismiques de la couche altérée, les réfractions à la base de la couche altérée et le lissage des réflexions, et l'optimisation du stack (en sismique réflexion). Le lissage des réflexions et l'optimisation du stack sont des méthodes puissantes à base de statistiques qui permettent, à partir du grand nombre de mesures disponibles dans l'exploitation d'un profil sismique en couverture multiple, d'estimer les corrections statiques, ou décalages de temps à appliquer aux traces, pour chaque position émetteur-récepteur, pour optimiser la qualité de la réflexion observée sur la somme des traces élémentaires. Ces décalages sont égaux et de signes contraires aux décalages provoqués par le sous-sol proche et ses anomalies. De manière similaire, on peut déterminer, pour chaque position émetteur-récepteur, le coefficient de l'atténuation produite par le sous-sol proche sur les signaux sismiques. La présente invention a pour objet une méthode susceptible de détecter lesdites cavités et ce, pour un coût modéré tout en fournissant des informations continues et précises. La méthode selon l'invention est du type consistant à émettre des impulsions acoustiques dans lesdites couches à partir d'au moins un émetteur disposé à la surface du sol, à recevoir et à enregistrer sur des récepteurs disposés à la surface du sol les signaux réfléchis et/ou réfractés par les interfaces ou dioptres entre lesdites couches situées autour desdites discontinuités, et elle est caractérisée en ce que les impulsions sont au moins des ondes de compression et de cisaillement qui sont émises séparemment les unes des autres, et à enregistrer sur des traces distinctes les signaux correspondant auxdites ondes émises de compression et de cisaillement, et à effectuer pour chaque lieu d'émission au moins le rapport des temps de trajet desdites ondes de compression et de cisaillement entre l'émetteur et les récepteurs. Les cavités présentent un danger car elles affaiblissent la résistance de la roche, à la compression mais aussi et peut-être surtout au cisaillement. Cela vient de ce qu'elles représentent un vide ou un manque dans une couche, par ailleurs homogène, et que le matériau qui les remplit ne peut résister aux efforts de compression, ni surtout aux efforts de cisaillement. Ce matériau est, comme il a été indiqué, soit un solide peu consolidé, pulvérulent, sans cohésion, soit un liquide, soit éventuellement un gaz. Les paramètres mécaniques qui rendent compte du comportement mécanique du matériau de remplissage sont principalement les modules d'imcompressibilité et de cisaillement. Ces deux modules contribuent, avec la densité, à déterminer les vitesses de propagation des ondes de compression et de cisaillement. La méthode, objet de l'invention, est essentiellement basée sur des rapports de grandeurs mesurées par l'intermédiaire d'ondes de compression et d'ondes de cisaillement, de façon à mettre en évidence des zones où les modules de cisaillement sont faibles ou nuls. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la ilecture d'un mode de mise en oeuvre de la méthode selon l'invention, ainsi que des dessins annexés sur lesquels - La figure 1 est une représentation schématique du trajet dans le sol-sol des ondes émises par un émetteur et reçues sur des récepteurs, disposés à la surface du sol. - La figure 2 est une représentation schématique des courbes représentatives des rapports de temps des ondes de cisaillement et de compression des ondes réfléchies, d'une part, et de l'onde directe, d'autre part. - La figure 3 est une représentation schématique des courbes représentatives des rapports des atténuations des ondes de cisaillement et de compression des ondes réfléchies, d'une part, et de l'onde directe, d'autre part. - La figure 4 est une vue en coupe schématique d'un tunnel et du sous-sol représenté par les deux premières couches de terrain. - La figure 5 est une vue en coupe longitudinale du tunnel représenté sur la figure 4 et dans lequel est disposé un vibrateur associé aux récepteurs. - La figure 6 est une représentation schématique d'une courbe du rapport d'impédances le long d'un profil. Sur la figure 1, on a représenté un ensemble constitué par un émetteur E et des récepteurs R1, R2, R3 disposés à la surface 1 du sous-sol 2 à explorer. A chaque émission, l'émetteur E émet des impulsions sous forme d'ondes acoustiques qui se propagent dans le soussol 2, se réfléchissent sur un dioptre ou interface 3 situé à la séparation des couches de terrain 4 et 5, suivant des trajets 6, 7, 8. Pour au moins deux des trajets 6, 7, les rayons réfléchis traversent une cavité 9. L'émetteur E émet en chaque lieu d'émission, alternativement des ondes de compression P et de cisaillement S qui se retrouvent aussi bien dans les ondes réfléchies sur le dioptre 3 que dans l'onde directe lo se propageant dans le sous-sol mais près de la surface 1 du sol. Les ondes P et S sont enregistrées sur deux séries distinctes de récepteurs, dont seuls les récepteurs R1 à R3 sont représentés. Une série de récepteurs est affectée aux ondes P et l'autre série est affectée aux ondes S. Chaque récepteur reçoit et enregistre sous forme de signaux, les ondes P ou S suivant sa nature. Les signaux ainsi enregistrés donnent des traces distinctes relatives les unes aux ondes P et les autres aux ondes S. Les différentes mesures sont effectuées sur lesdites traces après éventuellement des corrections appropriées. En effet, pour la détection des cavités, les ondes de compression ou ongles P et les ondes de cisaillement ou ondes S sont celles qui présentent le plus d'intérêt. Par ailleurs, il est parfaitement possible de n'émettre que des ondes P ou S car ces deux types d'ondes vibrent dans des plans orthogonaux tout en se propageant de la même manière dans le milieu qu'elles traversent. Bien entendu, à un émetteur qui émet des ondes P et S successivement, il faut lui associer des récepteurs pour recevoir les ondes P et des récepteurs pour recevoir les ondes S en retour. De tels émetteur et récepteurs sont représentés sur la figure 5. Selon la présente invention, on a déterminé que la connaissance du rapport X des ondes P et S en présence de cavités est le plus Significatif, F étant le module de cisaillement et ss le module d'incompressibilité. Or, les formules de la mécanique montrent que le rapport des vitesses des ondes de compression P et de cisaillement S est relié au rapport par la formule Ainsi, pour attendre le resultat vlse par la présente invention, il revient donc au même d'étudier les variations le long du profil de V/Vs, à la place de ou si l'on parle de temps de trajet, le rapport Ts/T. Les ondes P et S de l'onde directe 10 ne sont pas affectées par la cavité 9 lorsqu'elles ne traversent pas cette dernière et, en conséquence, les temps de trajet ne subissent pas de modification. La courbe 11 est représentative des rapports de trajet Ts/Tp des ondes S et P de l'onde directe et elles montrent que le rapport Ts/Tp est sensiblement constant. Pour les temps de trajet des rayons réfléchis 6, 7, 8, on obtient une courbe 12 représentative des valeurs du rapport Ts/Tp des ondes S et P. On constate que pour les rayons qui traversent la cavité 9, le rapport Ts/TP croit, comme cela apparaît sur la partie 13 de la courbe 12. Selon une autre caractéristique de l'invention, on établit également les courbes représentatives des rapports des amplitudes des ondes S et P de l'onde directe et des ondes réfléchies comme précedemment. Plus exactement, la figure 3 représente les courbes 14 et 15 des rapports d'atténuation As/Ap des amplitudes As et Ap des ondes S et P. Les courbes 14 et 15 montrent que le rapport As/Ap décroît, partie 16, au droit de la cavité 9 pour l'onde directe 10 alors qu'il croît, partie 17, au droit de la cavité 9 pour les ondes réfléchies 6, 7 et 8. La méthode selon l'invention permet non seulement de détecter et de situer les cavités 9 qui peuvent être présentes dans les zones explorées mais également est capable de caractériser les faiblesses du point de vue mécanique des cavités détectées et ceci, grâce notamment à la mesure de leur module de cisaillement. Une application particulière de la méthode selon l'invention est la détection de cavités 9 susceptibles d'apparaître notamment au-dessous d'un tunnel 18 dans lequel est disposée une voie ferroviaire 19 avec des rails 20 (figure 4). Une méthode commode pour réaliser ces mesures sismiques est la méthode par vibrations connue sous la dénomination "VIBROSEIS". L'émetteur est, dans ce cas, constitué par un vibrateur 21 et le signal reçu par les récepteurs ou géophones est corrélé par le signal émis par le vibrateur 21, de façon à fournir un signal résultant semblable à celui provoqué par une source impulsionnelle de même bande passante. L'orientation du vibrateur et des récepteurs ou géophones, relativement à la direction de propagation des ondes, permet de choisir à volonté le type d'ondes émises et reçues (P ou S), que ce soit en réflexion, en réfraction, ou en ondes directes. De préférence, le vibrateur 21 est monté sur un chariot 22 se déplaçant sur les rails 20 et il est muni de manière usuelle d'un patin 23 en contact avec la surface du sol et à travers lequel les vibrations produites par le vibrateur 21 sont transmises dans le sol à explorer. Un câble 24 relie le chariot 22 aux récepteurs R qui sont disposés sur le sol suivant une géométrie appropriée qui est fonction du mode de couverture simple ou multiple que l'on souhaite réaliser. Des organes élastiques 25 sont interposés entre les récepteurs R de manière à réaliser un découplage (figure 5). Un autre avantage de cette source d'émission constituée par le vibrateur 21 est qu'elle permet facilement, de plus, d'effectuer des mesures d'impédance acoustique du sol pour chaque position ou site d'émission. A cet effet, on associe au vibrateur un capteur de vitesse vibratoire qui est monté sur le patin ou plaque 23 et un capteur de force qui est monté par exemple sur la tige 28 reliant le vibrateur 21 à la plaque 23. Le capteur de force peut être du type jauge de contrainte. L'impédance est définie comme étant le rapport Z de la force F à la vitesse vibratoire V ( Z = F/V) et ceci pour chaque fréquence UV émise par le vibrateur 21. On obtient alors en chaque point une courbe Z (). Comme précédemment, on réalise deux profils d'impédance, l'un en ondes P, et l'autre en ondes S, et on effectue en chaque point du profil les courbes Zp ( tJ ) et Zs (bU), de manière à obtenir la courbe représentative du rapport Z/Z5 telle qu'elle apparaît schématiquement sur la figure 6. La présence de cavités se traduit par une variation de ce rapport, la tranche de terrain située entre le vibrateur 21 et la cavité 9 vibrant par elle-même, sans pouvoir, à cause de la cavité, rayonner de l'énergie dans le terrain sous-jacent. L'impédance au-dessus de la cavité 9 est réactive, c'est-à-dire analogue à celle d'une masse ou d'un ressort, suivant la fréquence, alors que cette impédance est de nature résistive en l'absence de cavité. L'existence d'une fréquence de résonance est plus marquée en présence de cavité que lorsque la roche sous-jacente est homogène. Le rapport {25/ Z 5) pour une fréquence choisie à l'avance, par exemple la fréquence de résonance ( Wt ) sans cavité, est significatif de la présence de cavités. Comme on peut le voir sur la figure 6, la courbe 26 croît en 27 en présence d'une cavité 9. Il va de soi que l'on peut combiner par un traitement approprié les diverses mesures ainsi effectuées. En effet, la présence de cavités ou discontinuités mécaniques en un point de la voie explorée sera d'autant plus certaines qu'un plus grand nombre d'indicateurs auront marqué une anomalie à cet endroit et les caractéristiques de ces cavités pourront être déduites des variations de ces indicateurs. REVENDICATIONS 1. Méthode de détection de discontinuités mécaniques dans les premières couches du sous-sol à explorer, du type consistant à émettre des impulsions acoustiques dans lesdites couches à partir d'au moins un émetteur disposé à la surface du sol, à recevoir et à enregistrer sur des récepteurs disposés à la surface du sol les signaux réfléchis et/ ou réfractés par les interfaces ou dioptres entre lesdites couches situées autour desdites discontinuités, caractérisée en ce que les impulsions sont au moins des ondes de compression et de cisaillement qui sont émises séparemment les unes des autres, et à enregistrer sur des traces distinctes les signaux correspondant auxdites ondes émises de compression et de cisaillement, et à effectuer pour chaque lieu d'émission au moins le rapport des temps de trajet desdites ondes de compression et de cisaillement entre l'émetteur et les récepteurs. 2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'on effectue également le rapport d'atténuation des amplitudes des ondes de cisaillement et de compression pour les ondes réfléchies et/ou réfractées. 3. Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que lton enregistre également les ondes directes de compression et de cisaillement, et ce qu'on effectue les rapports des temps de trajet ou d'atténuation des amplitudes desdites ondes directes, de compression, et de cisaillement. 4. Méthode selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'on réalise, en outre, au moins deux profils d'impédance, l'un correspondant aux ondes de compression et l'autre correspondant aux ondes de cisaillement, puis on effectue le rapport des impédances pour chaque lieu d' émission. 5. Méthode selon la revendication 4 caractérisée en ce que le rapport des impédances est effectué pour une fréquence prédéterminée de l'émetteur. 6. Méthode selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'émetteur est constitué par un vibrateur, et en ce que la fréquence prédéterminée est la fréquence de résonance du sous-sol sans discontinuité mécanique. 7. Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est appliquée pour la détection des discontinuités mécaniques des parois de tunnels. 8. Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est appliquée pour la détection des discontinuités mécaniques des premières couches du sous-sol situées au-dessous des voies ferroviaires. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre d'au moins la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur (21) est constitué par un vibrateur émettant alternativement des ondes de compression P et des ondes de cisaillement S, en ce que deux séries distinctes de récepteurs R convenablement orientés sont associées audit émetteur (21), les récepteurs d'une première série recevant et enregistrant les ondes de compression P et les récepteurs de l'autre série recevant et enregistrant les ondes de cisaillement S, de manière à obtenir des traces distinctes relatives auxdites ondes de compression et de cisaillement. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le vibrateur (21) est muni d'au moins un capteur de vitesse vibratoire monté sur une plaque (23) en contact avec la surface du sol et d'au moins un capteur de force. 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les récepteurs sont découplés au moyen d'organes élastiques (25) montés entre lesdits récepteurs.