# Pistes d'optimisation des acquisitions sismiques de proche surface en environnement complexe, applicables pour des projets géotechniques

## Ways to optimize near-surface seismic acquisitions in complex environments, applicable for geotechnical projects

Christophe VERGNIAULT<fnref n="1" />, Martin BLOUIN<fnref n="2" />, Thomas TSCHARNER<fnref n="3" />

**Résumé.** L'objectif de cet article est de discuter de la possibilité de réaliser une combinaison de méthodes sismiques de surface de façon industrielle, afin d'avoir à la fois une investigation robuste en environnement complexe de part la multiplicité des méthodes, mais aussi de maitriser les coûts en restant dans un même domaine physique et donc en limitant les moyens à mettre en œuvre. Pour cela, nous allons analyser les résultats d'une acquisition sismique exhaustive en termes de nombre de capteurs, composantes, types de sources. Les constats permettent de conclure favorablement à l'idée de réaliser une investigation robuste en environnement complexe, basée pour les reconnaissances géophysiques uniquement sur la combinaison de traitement des différentes méthodes sismiques (réflexion, réfraction, MASW), acquises avec un même dispositif de capteurs. Néanmoins, des sources spécifiques à chaque méthode restent à préconiser. Enfin, pour de grands linéaires sur des pistes, des « landstreamers » relativement longs sont utilisables.

<footnote n="1">¹ EDF-DI-TEGG, 180, Rue du Lieutenant Parayre, 13290 Aix-en-Provence, FRANCE
christophe.vergniault@edf.fr</footnote>

<footnote n="2">² GEOSTACK, 135-6780, 1re Avenue, QC CANADA G1H 2W8, mblouin@geostack.ca</footnote>

<footnote n="3">³ Geo2X SA, rue de Chamblon 34, CH1400, Yverdon-les-Bains, SUISSE
thomas.tscharner@geo2x.com</footnote>
**Abstract.** The purpose of this article is to discuss the possibility of carrying out a combination of surface seismic methods in an industrial manner, in order to have both a robust investigation in a complex environment due to the multiplicity of methods, but also to control costs, by remaining in the same physical domain and therefore limiting the means to be implemented. To do this, we will analyse the results of an exhaustive seismic acquisition in terms of number of sensors, components, types of sources. The findings allow us to conclude favourably on the idea of carrying out a robust investigation in a complex environment, based for geophysical reconnaissance solely on the combination of processing of different seismic methods (reflection, refraction, MASW), acquired with the same sensor device. However, sources specific to each method remain to be recommended. Finally, for long runs on tracks, relatively long landstreamer can be used.
# 1 Introduction

La sensibilité des méthodes géoélectriques et sismiques vis à vis des principaux phénomènes
à détecter pour l’élaboration d’un modèle de sol (toit du substratum, toit de la nappe,
répartition de strates contrastées, localisation d’un accident géologique) leur confère une
place prédominante en géophysique de proche surface. Ainsi, les méthodes sismiques, par
ondes de surface (MASW) ou réfraction, ainsi que la tomographie de résistivité électrique
(ERT) font partie de la panoplie des outils géophysiques conventionnels les plus
fréquemment utilisés dans le cadre de projets de génie-civil, qui s’intéressent globalement
aux 20 à 50 premiers mètres du sous-sol.

Toutefois, dans un environnement géologique présentant une géométrie relativement
complexe (faille, présence d'une formation lente en profondeur, pendage modéré mais non
négligeable des structures, variation latérale), ces méthodes peuvent être en limite
d'utilisation. Même si elles restent le meilleur compromis qualité/prix (Vergniault et al.,
2019), dans certains cas une approche par sismique réflexion peut être plus adaptée (Radogna
et al., 2022a), mais plus onéreuse.

Pour réduire les incertitudes de manière significative, l'ensemble des méthodes sismiques et
électriques pourraient être combinées. En effet, il est envisageable d'appliquer des processus
d'inversion jointes ou de traitement par couplages automatisés comme le clustering (Sabor
et al. 2019) ou la fusion (Dezert et al. 2020). Toutefois, cela impliquerait mécaniquement une
augmentation notable des coûts, en multipliant les méthodes. Ceci est possible lorsque les
enjeux le justifient, mais bien souvent les contraintes budgétaires au regard de l'enjeu du
projet font qu'une seule technique peut être raisonnablement mise en œuvre.

Une autre piste pour réduire les incertitudes serait de s'intéresser à des méthodes de
traitement sismique plus avancées, comme l'inversion de formes d'ondes complètes.
Toutefois cette approche est encore confidentielle pour le domaine du génie-civil, car elle
nécessite de grandes capacités de calcul afin de reproduire la totalité des trains d'ondes
enregistrés, mais cela est en cours d'évolution (Fabien-Ouellet et al., 2014 Fabien-Ouellet,
2019).

L'objectif de cet article est donc d'étudier la possibilité de renforcer la robustesse d'une étude
de sol en permettant d'augmenter les possibilités d'analyse conventionnelle, mais en restant
dans un même domaine physique, afin de limiter les moyens mobilisés.

Deux pistes se dessinent alors avec, soit :

* la combinaison de mesures géoélectriques : Tomographie de résistivité électrique (ERT) et de chargeabilité (PP),

* la combinaison de mesures sismiques : réflexion P&S, réfraction, MASW

Cet article se limite à discuter de la possibilité de réaliser la combinaison de méthodes
sismiques de surface de façon industrielle.

Pour cela, nous allons analyser les résultats d'une acquisition sismique exhaustive en termes
de nombre de capteurs, composantes, types de sources. Ainsi, on verra si un dispositif
d'acquisition peut permettre ou non d'étudier en même temps :

* le toit du rocher,

* d'avoir un profil de vitesse de cisaillement,
* d'établir un modèle géométrique complexe du sous-sol,

Ces objectifs ont également un intérêt sur une profondeur cible de 0 à 100 m et le déploiement sur de grands linéaires (unité kilométrique, Vergniault et al., 2018 & 2022).

## 2 Généralités sur les méthodes étudiées

Lorsqu'une contrainte mécanique est appliquée subitement (choc) à un corps élastique ou lorsque la contrainte est relâchée, les particules de la matière subissent une accélération, et la modification de la déformation correspondante est propagée sous forme d'une onde élastique. La propagation de ces ondes mécaniques est à la base de différentes méthodes d'imagerie (réfraction, réflexion, MASW). Chaque méthode est basée sur une simplification qui permet de se focaliser sur un mode de propagation spécifique de l'énergie sismique et cela apporte des informations différentes sur le sous-sol.

**La sismique réfraction**, est basée sur l'analyse des premières arrivées des ondes sismiques (*P* ou *S*, selon le type de source). Chaque trace sismique est réduite à une seule valeur numérique, le temps de pointé de la première arrivée. Dans la plupart des approches conventionnelles, même les plus complètes (Palmer, 1981), le sous-sol est considéré comme une série de couches homogènes dans lesquelles se propage des rais sismiques. L'approximation d'un modèle en couche peut être assouplie en utilisant la tomographie par tracé de rais (Rawlinson et al., 2010, Radogna et al., 2022a).

Le dispositif d'acquisition doit favoriser l'identification et le pointé de la première arrivée sur les enregistrements. La source sera plutôt de type impulsionnelle, puissante en revanche le nombre de capteurs et de tirs peuvent être modérés (classiquement de 24 à 48 capteurs et 5 à 10 tirs).

**L'analyse multicanal des ondes de surface** s'est largement démocratisée grâce à la méthodologie MASW proposée par Park et al. (1999). Toutefois, l'analyse des ondes de surface se base sur une hypothèse forte d'un modèle 1D en couches et réduit chaque tir sismique à une ou plusieurs courbes de dispersion du mode fondamental et des modes supérieurs des ondes de surface. La profondeur d'investigation des ondes de surface est aussi limitée par la fréquence la plus basse pouvant être générée par la source ou enregistrée au récepteur.

Le dispositif d'acquisition doit favoriser l'identification et le pointé de la courbe de dispersion sur les enregistrements. Pour cela, un dispositif comparable à celui de la sismique réfraction est adapté, mais l'espacement entre capteur ne doit pas être trop important (moins de 2 m) afin de ne pas perdre d'information en proche surface et les signaux ne doivent pas être saturés.

**La sismique réflexion** est la méthode sismique la plus utilisée en géophysique pétrolière ou marine et la moins utilisée en géophysique appliquée au génie-civil à terre. En effet, historiquement, à terre, cette méthode était trop coûteuse pour les applications d'ingénierie à faible profondeur. De plus, par rapport aux acquisitions marines, les acquisitions terrestres sont confrontées à la présence d'une zone hors nappe qui filtre fortement les hautes fréquences et il n'est donc pas possible d'utiliser des sources de très haute fréquence permettant d'atteindre une résolution décimétrique. Donc, le principal facteur technique qui
limite l'usage de la sismique réflexion aux investigations à faible profondeur est sa faible résolution pluri-décamétrique pour une sismique Très Haute Résolution (THR) en ondes P.

Toutefois, la résolution qui dépend de la longueur d'ondes dépend donc de la fréquence du signal, mais aussi de sa vitesse. Or, le moyen de jouer sur la vitesse du signal est de travailler avec des ondes S qui possèdent des longueurs d'onde beaucoup plus faibles que les ondes P, de l'ordre du mètre voire moins. Ceci rend leur utilisation appropriée pour séparer deux horizons en proche surface (Vergniault 2019, Radogna et al., 2022a).

De plus, en sismique réflexion, l'estimation des vitesses est un sous-produit du traitement. Elle est souvent trop imprécise et de trop faible résolution pour répondre à des besoins pratiques. Toutefois, en ondes S, le modèle macroscopique de la vitesse S du sous-sol à partir des vitesses de traitement pourrait aussi être un moyen d'étendre une information MASW.

Le dispositif d'acquisition doit permettre un traitement multi-traces, ce qui nécessite une couverture de capteurs importante (espacement de 0.5 à 2.5 m entre capteur) et un nombre de tir important (tous les 1 à 2 capteurs).

Pour conduire une étude robuste en environnement complexe, il est souhaitable de pouvoir appliquer une combinaison de traitements (combo MASW, réfraction P, réflexion S, réflexion P), idéalement à partir d'un même jeu de donnée. L'évolution du matériel donne de nouvelles perspectives de combinaison des dispositifs d'acquisitions préalablement cités, notamment par la démocratisation des capteurs à mémoires, jusque-là réservés aux campagnes de sismique réflexion HR. L'objet de cet article est donc d'évaluer la faisabilité et l'apport de ce type d'acquisition.

## 3 Paramètres de l'acquisition

Le site d'étude est situé sur une terrasse perchée bordée d'arbres et recouverte d'alluvions fluviatiles, en rive droite du Rhône. Le profil (cf. points bleus sur la figure 1) recoupe dans son 1/3 Nord-Ouest la limite Nord-Ouest de la structure synclinale de Cuijanet, bordée par la faille de Marsanne (cf. trait noir sur la figure 1 issu de la BDFA, Jomard, 2017).

Dans la partie Nord-Ouest, le calcaire Barrémien est quasiment à l'affleurement, notamment le long du chemin d'accès visible sur l'orthophotographie en figure 1.

Dans sa partie Sud-Est, la couverture a une épaisseur importante sur des conglomérats de l'Albien et du Cénomanien, eux-mêmes recouvrant un grès de l'Albien.
<figure><img src="image_1.png" /><figcaption>**Figure 1.** Orthophotographie de la zone d'étude, avec en bleu la position des géophones et en noir la trace de la faille de Marsanne, issue de la Base de données des failles potentiellement actives (BDFA, Jomard, 2017).</figcaption></figure>

L'acquisition sismique a été réalisée par la société Geo2X du 15 au 18 novembre 2022, selon un axe Nord Ouest-Sud Est tel que présenté sur la position des tirs de la figure 1.

Les traitements de réflexion ont été réalisés par la société Geostack et les traitements de réfraction et MASW par EDF.

Pour cette acquisition, la volonté d'EDF était d'obtenir un profil en ondes S et en ondes P, avec une géométrie analogue voire idéalement un seul type de capteur à 3 composantes, tout en assurant un contrôle qualité terrain. Pour le roll-along, il était demandé d'avoir plus de 100 m de déport entre le 1er géophone actif restant et la source (offset), avant d'enlever un groupe de capteurs.

Sur cette base, le dispositif mis en œuvre comprenait :

* 327 géophones à mémoire 3 composantes (SmartSolo 3C, 5Hz, spurious frequency 170 Hz sur la composante V et 150 Hz sur la composante H), 200 capteurs actifs tous les 1m, suivant 3 roll-along (1-327, 121-444, 245-500)

* 5 sources sismiques avec un intertir de 2m :

* Microvibrateur Elvis S, plage 20-120 Hz, 30s,

* Microvibrateur Elvis P, plage 20-240 Hz, 30s,

* Fusil PASI,
* Chute de poids accélérée PEG 40 kg,

* Masse 5 kg (3 tirs par positions)

L'ELVIS VII est un microvibrateur de Geotomographie au format d'une brouette permettant d'envoyer un sweep (vibration avec modulation de fréquence) dans le sol. Un bloc P, génère préférentiellement des ondes de compressions (ondes P) et un bloc S, génère préférentiellement des ondes de cisaillement (ondes SH). Une phase de tests a été conduite en début de campagne pour choisir le balayage en fréquence (sweep) utilisé pour le reste de la mission. En onde P, les hautes fréquences sont encore visibles jusqu'à 240Hz. Le sweep 20-240Hz est choisi. En onde S, aucune fréquence n'est visible au-delà de 120Hz. Le sweep 20-120Hz est choisi. Les sweeps longs donnent des résultats un peu meilleurs que des sweeps courts stackés (2x15s et 3x10s). En revanche, dans un environnement bruité, les stacks sont plus intéressants car ils permettent d'atténuer l'effet du bruit. Le sweep de 30s est choisi sur ce site qui est calme.

Le fusil sismique ISOTTA de PASI est une source impulsionnelle qui tire une cartouche dans le sol. Un trou à la barre à mine est préalablement creusé pour y enfoncer le canon. La mise à feu se fait en tapant le percuteur avec un maillet. La puissance est fortement dépendante du type de cartouche utilisée. Le projectile utilisé pour cette manipulation est une cartouche Winchester projetant un projectile de 46 gr à 700 m/s soit une énergie de 11 000 J. Pour fixer les idées, ce niveau d'énergie est comparable à 2 à 4 g d'explosif ou encore 2 à 3 détonateurs. Ceci correspond également au niveau d'énergie d'une des chutes de poids accélérées les plus puissantes du marché (Bison EWG, 10 000 J, soit 4 fois la Vakimpac (2500 J), qui est plus connue).

Le PEG-40 de RT Clark est une source impulsionnelle qui est composée d'une masse accélérée de 40 kg par un jeu d'élastique en direction du sol. Ce système se monte à l'arrière d'un véhicule sur l'accroche d'une remorque et tape sur une plaque métallique à la position souhaitée. Sa puissance est calculée à 140 J sans l'accélération des élastiques. La puissance avec l'utilisation des élastiques n'est pas précisée dans les fiches du constructeur.

La masse sismique est une source impulsionnelle qui consiste en une masse pour planter des piquets sur laquelle est monté un système de déclenchement qui envoie une impulsion au moment de l'impact (trigger). La masse est frappée sur une plaque métallique à même le sol à la position souhaitée. Trois tirs (stacks) ont été effectué par position de tir. La puissance peut être estimée à 100 J en considérant une chute de 2 m de haut, mais sans considérer l'accélération que peut appliquer l'opérateur.

Les capteurs utilisés sont des SmartSolo 3C, système qui mesure en continu les composantes triaxiales des ondes sismiques. Afin de couper les données au moment des tirs, un système d'enregistrement du temps initial (t0) a été utilisé. Etant un système aveugle, un dispositif filaire de contrôle de bruit a été ajouté afin d'assurer la qualité des données sismiques. Ce dispositif consiste en un sismographe Géode de Geometrics connecté à une flûte sismique 24 canaux de 120 m, équipée de géophones verticaux 10 Hz.

Deux instruments d'enregistrement du t0 ont été utilisés. L'EVR (RTClarke) et le TB recorder de SmartSolo. Ces deux systèmes, lors du déclenchement du tir, enregistrent une ligne qui contient l'identifiant (ID) de la position de tir et le temps GNSS à la microseconde, nécessaire pour couper l'enregistrement sismique avec une précision à la microseconde.
<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>**Figure 2.** Comparaison des enregistrements en amplitude préservées, à un même point de tir avec 4 sources distinctes ainsi que le spectre associé.</figcaption></figure>

* On peut déjà déduire de cette comparaison que les signaux de la source ELVIS seront les plus sensibles aux pollutions environnementales (vent, voiture, industrie etc...), ce qui implique de prendre de fortes précautions lors de l'acquisition et impose un contrôle qualité des tirs en direct (intérêt de la base filaire de contrôle).

Dans un deuxième temps, les enregistrements unitaires sont comparés après normalisation. c.a.d. la mise à l'échelle de toutes les traces d'un tir par rapport au maximum de chaque trace. Ceci permet de bien mettre en valeur le cône des ondes de surface, qui est la partie du signal sismique la plus énergétique. Encore un fois on trouve que : la signature de l'enregistrement avec la masse et la PEG 40 est comparable, celle avec le fusil présente le cône d'ondes de surface le plus marqué alors que la source ELVIS génère très peu d'onde de surface (aussi car le balayage commence à 20 Hz). Ceci est confirmé par les diagrammes de dispersion.

<figure><img src="image_3.png" /></figure>
<figure><img src="image_4.png" /></figure>

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

<figure><img src="image_8.png" /></figure>

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

* On peut déjà déduire de cette 2ème comparaison que les tirs impulsionnels sont préférables pour des analyses MASW, et que même une masse est adaptée.

Dans un troisième temps, les enregistrements unitaires sont comparés après application d'un gain à contrôle automatique (Automatic Gain Control ou AGC). L'AGC normalise la valeur RMS d'une trace à l'intérieur d'une fenêtre glissante. Ceci permet d'égaliser les signaux de différentes amplitudes dans le temps. Ceci permet de bien mettre en valeur la première arrivée par un zoom sur les 100 premières ms.

Tir à la masse

Tir à la PEG 40
<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Tir Elvis VII</figcaption></figure>

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Tir Fusil</figcaption></figure>

<figure><img src="image_13.png" /></figure>

Représentation sur les 100 premières ms, avec contrôle automatique du gain (AGC) s

* Sans surprise le fusil apparaît plus adapté qu'une PEG40, qu'une masse pour un déport source récepteur de plus de 100 ml. Une chute de poids puissante (2 500 à 10 000 J) devrait donner des résultats équivalents. Bien sûr ceci reste sans comparaison avec de l'explosif brisant (3 à 5 MJ/kg).

## Analyse N°2 : Comparaison des imageries P issues des 4 sources P

A l'aide de l'ensemble des enregistrements réalisés avec les 4 sources P, des imageries de sismique réflexion ont été réalisées et sont présentées sur la figure suivante.

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Image de réflexion P, avec comme source la masse</figcaption></figure>
<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Image de réflexion P, avec comme source la PEG 40</figcaption></figure>

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Image de réflexion P, avec comme source l'Elvis VII, bloc P</figcaption></figure>

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Image de réflexion P, avec comme source le fusil</figcaption></figure>

* Malgré la faible puissance du microvibrateur, l'imagerie de réflexion de proche surface en ondes P est la mieux résolue sur une centaine de ms, d'une part en raison de la plage de fréquence couverte et d'autre part en raison du peu d'ondes de surface générées.

* Contre toute attente, l'imagerie P issue des tirs à la masse est aussi intéressante.

* Un antagonisme demeure entre les sources à privilégier pour la sismique réflexion et la réfraction.

## Analyse N°3 : Comparaison des imageries de réflexion aux analyse MASW et réfraction

Les données ont été décimées pour réaliser une analyse MASW en considérant des fenêtres actives de 50 ml à droite et à gauche des tirs, ce qui représente 23 bases directes et 23 bases retours.

L'analyse de réfraction par la méthode GRM a été conduite en exploitant 1 tir tous les 20 à 25 ml, soit 22 tirs pour 500 ml. L'absence de tir offset a été compensée par la très forte densité de capteurs qui a permis d'appliquer la technique du phantoming. En effet, ceci utilise le fait que pour une série de capteurs, les temps de trajet des ondes de 2 positions de tirs différentes mais réfractées sur un réfracteur
commun, sont décalées d'une constante. En recalant les dromochroniques des différentes bases ayant un réfracteur commun, il est alors possible de reconstruire une dromochronique pour l'ensemble du profil (Lankston & Lankston, 1986).

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Image MASW issue des tirs au fusil</figcaption></figure>

<figure><img src="image_19.png" /></figure>

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Image de réfraction issue des tirs au fusil</figcaption></figure>

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Image de réflexion issue des tirs au microvibrateur P</figcaption></figure>

Les 3 images sont cohérentes avec deux parties séparées plus au moins au milieu de l'image par un pointement du substratum. La moitié Nord présentant une couverture de l'ordre de 10 m, alors que la moitié Sud présente une couverture nettement plus faible. Le pointement du substratum est avéré par une tranchée paléosismologique au centre du profil. En revanche, cette tranchée ne met pas en évidence de faille.

Enfin, par rapport à la MASW et à la réfraction ; l'image de réflexion apporte des informations géométriques sur le pendage des strates de la moitié Sud.
De plus, dans les dernières évolutions de la méthode GRM publiée par Palmer (2001), il est proposé de réaliser le pointé de la courbe Plus sur le résultat de la convolution d'un tir direct et inverse. Cette approche a été appliquée avec succès, à condition d'effectuer un mute sur les tirs unitaires.

<figure><img src="image_22.png" /></figure>

<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>Comparaison de la courbe Plus issue de l'analyse conventionnelle par la courbe plus issue de la convolution</figcaption></figure>

* Un dispositif avec une forte densité de capteurs, un déport constant devant et derrière la source, propre à de la sismique réflexion est tout à fait exploitable pour des analyses MASW ou de réfraction.

* En plus des tirs offset avec une source puissante (explosif, fusil) propres à la sismique réfraction, la technique du phantoming permet de densifier l'information avec une source nettement moins puissante (masse, petit chute de poids), Ceci peut permettre d'optimiser une acquisition de réfraction en utilisant une grande densité de capteurs à mémoire mais en limitant le recours à l'explosif,

* La technique d'analyse par convolution reste sous employée et elle permettrait aussi d'apporter de l'information sur l'atténuation,

* La densité de tirs nécessaires aux analyses de MASW et réfraction étant plus faible (1 tir tous les 20 à 25 ml contre 1 tir tous les 1 à 2 m en réflexion), il est souhaitable de doubler ces tirs avec une source impulsionnelle, si le microvibrateur est utilisé pour la réflexion.

## Analyse N°4 : Comparaison de la flûte lors de l'acquisition au microvibrateur P

Les enregistrements des 200 traces actives par tir ont été décimés de façon à simuler des acquisitions tractées (déport que de 1 côté de la source) de type marine ou landstreamer, respectivement de 96, 72, 48, 24 traces espacées de 1 m puis 48 et 24 traces espacées de 2 m.
<figure><img src="image_24.png" /></figure>

Déport <0

<figure><img src="image_25.png" /></figure>

96

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

72

<figure><img src="image_27.png" /></figure>

48
<figure><img src="image_28.png" /></figure>

<figure><img src="image_29.png" /></figure>

<figure><img src="image_30.png" /></figure>

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

* Quand le site le permet, la technique du landstreamer long (96 ml) permettrait d'optimiser la production d'une acquisition de réflexion, réfraction et MASW.

**Analyse N°4** : Comparaison des imageries S, issue de la source $S_H$ mais aussi des tirs P impusionnels à la masse et au fusil

En plus du traitement conventionnel (P avec capteur V et Sh avec capteur H), un traitement additionnel a été réalisé, afin d'exploiter les ondes S générées par les sources P (Sv, Sh inline ou crossline) sur 1 ou 3 composantes en fonction de la configuration.

Il est important de noter que la vitesse S étant plus faible, pour un temps équivalent sur l'image P (par exemple 80 ms), la profondeur atteinte sur l'image S est bien plus faible.
<figure><img src="image_32.png" /></figure>

Sh sour Sh

<figure><img src="image_33.png" /></figure>

Sv source masse (image analogue avec composante H)

<figure><img src="image_34.png" /></figure>

PASI analyse Sv sur composante V

<figure><img src="image_35.png" /></figure>

PASI analyse Sv sur composante H inline
<figure><img src="image_36.png" /></figure>

* Lorsqu'on a besoin d'une imagerie S pour compléter la zone aveugle à l'imagerie P, il reste préférable d'utiliser une source S dédiée, plutôt que d'exploiter les S générées par une source P, quel que soit les composantes.

* Là aussi un antagonisme demeure pour le choix de la source en fonction des objectifs.

# 5 Conclusion

Une grande variété de mesures sismiques a été acquises par la société GEO2X en utilisant différentes sources sismiques et des capteurs à trois composantes dans l'objectif de réaliser des comparaisons et des traitements pour différents modes de propagation des ondes sismiques, réalisés par la société GEOSTACK et EDF. A travers cette série d'exemples, il a été possible d'illustrer :

* que les signaux d'une source de type microvibrateur sont les plus sensibles aux pollutions environnementales (vent, voiture, industrie etc...), ceci implique de prendre de fortes précautions lors de l'acquisition et impose un contrôle qualité des tirs en direct (intérêt de la base filaire de contrôle).

* Malgré la faible puissance du microvibrateur, l'imagerie de réflexion de proche surface en ondes P et S est la mieux résolue sur une centaine de ms, d'une part en raison de la plage de fréquence couverte et d'autre part en raison du peu d'ondes de surface générées.

* Contre toute attente, l'imagerie P et S issue des tirs à la masse est aussi intéressante.

* Que les tirs impulsionnels sont préférables pour des analyses MASW et même une masse est adaptée.

* Sans surprise le fusil sismique apparaît plus adapté qu'une chute de poids de faible puissance, qu'une masse pour un déport source récepteur de plus de 100 ml. Une chute de poids puissante (2 500 à 10 000 J) devrait donner des résultats équivalents. Bien sûr ceci reste sans comparaison avec de l'explosif brisant (3 à 5 MJ/kg).

* Un antagonisme demeure donc entre les sources à privilégier pour la sismique réflexion et la réfraction.

* Un dispositif avec une forte densité de capteurs, un déport constant devant et derrière la source, propre à de la sismique réflexion est tout à fait exploitable pour des analyses MASW ou de réfraction.

* En plus des tirs offset avec une source puissante (explosif, fusil) propres à la sismique réfraction, la technique du « phantoming » permet de densifier l'information avec une source nettement moins puissante (masse, petite chute de poids). Ceci peut permettre d'optimiser une acquisition de réfraction en utilisant une grande densité de capteurs à mémoire, mais en limitant le recours à l'explosif.
* La technique d'analyse par convolution reste sous employée et elle permettrait aussi d'apporter de l'information sur l'atténuation.

* La densité de tirs nécessaires aux analyses de MASW et réfraction étant plus faible (1 tir tous les 20 à 25 ml contre 1 tir tous les 1 à 2 m en réflexion), il est souhaitable de doubler ces tirs avec une source impulsionnelle, si le microvibrateur est utilisé pour la réflexion.

* Quand l'environnement du site le permet, la technique du landstreamer long (96 ml) permet d'optimiser la production d'une acquisition de réflexion, réfraction et MASW.

* Dès l'atteinte du substratum, les traitements en sismique réflexion en ondes P fournissent des sections plus cohérentes et nettes que les profils traités avec une source S et des capteurs horizontaux.

* Les données traitées pour obtenir des profils $S_v$ sont meilleures et plus cohérentes sur la composante verticale des géophones que sur la composante *inline*.

* Le contrôle sur les modèles de vitesse P est limité par le déport maximal des géophones. C'est-à-dire qu'une correction NMO de plus de 2000 m/s est difficile à analyser.

Ces constats permettent de conclure qu'il est possible de réaliser une investigation robuste en environnement complexe, basée pour les reconnaissances géophysiques uniquement sur la combinaison de traitement des différentes méthodes sismiques (réflexion, réfraction, MASW), acquises avec un même dispositif de capteurs à composantes. Néanmoins, des sources spécifiques à chaque méthode restent à préconiser. Enfin, pour de grands linéaires sur des pistes, des « landstreamers » relativement longs sont utilisables.

Références

1 Jomard, H., Cushing, E. M., Palumbo, L., Baize, S., David, C., and Chartier, T.: Transposing an active fault database into a seismic hazard fault model for nuclear facilities – Part 1: Building a database of potentially active faults (BDFA) for metropolitan France, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 17, 1573–1584, https://doi.org/10.5194/nhess-17-1573-2017, 2017

2 Lankston R.W., Lankston M.M., 1986, Obtaining multilayer reciprocal times through phantoming, Geophysics, 51, 45-49.

3 Palmer D., 1981, An Introduction to the generalized reciprocal method of seismic refraction interpretation: Geophysics, 46, no. 11, 1508-1518, doi: 10.1190/1.1441157.

4 Palmer D., 2001, Digital processing of shallow seismic refraction data with the refraction, A Thesis Submitted in Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy School of Geology, The University of New South Wales, Sydney, Australia.

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