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SISMIQUE DE
RÉFRACTION

La sismique de réfraction est une méthode géophysique basée sur l’analyse des temps d’arrivée des ondes sismiques générées artificiellement et réfractées aux interfaces entre des couches du sous-sol caractérisées par des vitesses de propagation différentes.
L’analyse porte principalement sur les ondes de compression (ondes P) et, lorsque cela est possible, sur les ondes de cisaillement (ondes S).
L’énergie sismique, produite par une source en surface, se propage:
  • dans la couche la plus superficielle, sous forme d’arrivées directes
  • en profondeur le long de niveaux à vitesse plus élevée, en générant des ondes réfractées qui réapparaissent en surface à des distances plus importantes
L’enregistrement des signaux s’effectue au moyen d’un dispositif linéaire de capteurs sismiques, les géophones.
En répétant l’excitation à différentes positions le long du profil d’étude, il est possible de reconstruire la géométrie et les caractéristiques de vitesse des couches réfractrices, afin d’identifier la géométrie du substratum substrat rocheux, ou bedrock.
Les valeurs de vitesse Vp et Vs obtenues à partir du modèle sismo-stratigraphique permettent également d’estimer les principaux paramètres élastiques des matériaux étudiés, en fournissant des informations utiles pour la caractérisation géotechnique et géomécanique du sous-sol.
Sismografo Gea24

Tomographie sismique à réfraction

La tomographie sismique à réfraction utilise les temps d’arrivée des ondes sismiques, ou first arrivals, enregistrés le long d’un profil pour reconstruire un modèle de vitesse du sous-sol par inversion des temps de parcours, ou travel-time inversion.
Contrairement à la réfraction conventionnelle, le traitement tomographique permet de décrire plus efficacement les variations latérales des propriétés du terrain, en fournissant des sections de vitesse en 2D et, lorsque cela est applicable, des extensions en 3D.

Quand l’utiliser

La tomographie à réfraction est indiquée lorsqu’il est nécessaire de:
  • reconstruire la géométrie du bedrock ou d’un substratum substrat rigide en présence de variations latérales significatives
  • identifier des zones fracturées, altérées ou à faible vitesse
  • analyser des contacts lithologiques complexes qui ne peuvent pas être représentés par des modèles 1D
  • améliorer l’interprétation de la réfraction classique dans des contextes qui ne présentent pas une stratification idéale
  • soutenir des études géologiques et géotechniques en phase préliminaire ou définitive
  • calculer les paramètres élastiques du terrain à partir de mesures Vp et Vs
Dans de nombreux projets, la tomographie à réfraction est intégrée à d’autres méthodologies, comme MASW et HVSR, afin d’obtenir une caractérisation plus complète.

Pourquoi choisir la tomographie
plutôt que la réfraction standard

La réfraction conventionnelle repose souvent sur des modèles simplifiés et sur des hypothèses de stratification régulière.
La tomographie à réfraction, grâce à l’inversion des temps d’arrivée, permet d’obtenir un modèle de vitesse plus continu et plus proche des conditions réelles, en particulier lorsque:
  • le sous-sol présente des hétérogénéités latérales
  • les interfaces ne sont pas planes
  • la géométrie des contacts est complexe
Stendimento Land Streamer

Ce qu’elle produit

Une campagne de tomographie à réfraction produit:
  • une section 2D des vitesses des ondes P (Vp) et, lorsque cela est applicable, des informations sur les ondes S (Vs)
  • des cartes ou profils d’iso-vitesses
  • des interprétations des principales variations latérales, cohérentes avec les données géologiques disponibles
  • un rapport technique comprenant:
    1. la géométrie d’acquisition et les principaux paramètres, comme le nombre de canaux, l’espacement et la longueur du profil
    2. le type de source utilisée
    3. les modalités de déclenchement
    4. les critères de contrôle qualité (QC) du picking des first arrivals

CONTEXTES D’APPLICATION

- études de fondation pour ouvrages civils et infrastructures 

- évaluations préliminaires et caractérisation du sous-sol en zones urbanisées 

- contextes extractifs, comme carrières et mines 
- sites environnementaux, comme zones de remblai, décharges et sites contaminés 
- ouvrages hydrauliques et vérifications de continuité du substratum

Instrumentation nécessaire

La configuration typique comprend:
Geofono orizzontale 4,5 Hz
Cavo sismico 24 canali
Piattello di battura onde orizzontali

Exemples de configuration opérationnelle

Pour les études de sismique de réfraction, la configuration instrumentale peut varier en fonction du nombre de canaux, de la profondeur d’investigation et des objectifs du levé.
Voici quelques exemples de configuration opérationnelle, représentatifs des solutions les plus courantes:
  • configuration à 24 canaux, adaptée aux levés standard et aux investigations de profondeur moyenne
  • configuration à 48 canaux avec câbles de 12 canaux, indiquée pour des extensions plus importantes et une meilleure résolution le long du profil
  • configuration à 48 canaux avec câbles de 24 canaux, utilisée pour des acquisitions plus étendues et des implantations optimisées
  • Configuration de plus de 48 canaux (72, 96 ou multiples) avec des câbles de 24 canaux, lorsqu’un profil de résolution et/ou de longueur supérieur est requis.
Chaque configuration comprend le sismographe, les géophones, la source sismique, les systèmes de déclenchement et les accessoires de déploiement.
DÉCOUVRIR LES CONFIGURATIONS DISPONIBLES
GEA24 con 3DLG

Logiciels d’interprétation

Le traitement tomographique nécessite des logiciels dédiés pour le picking des first arrivals et l’inversion des temps de parcours, ou travel-time inversion.
ZONDST2D
Interprétation tomographique 2D de données sur ondes réfractées et, lorsque prévu, également réfléchies.
RAYFRACT
Inversion tomographique des temps d’arrivée et génération de modèles de vitesse avec outils de contrôle qualité.
INTERSISM
Gestion et interprétation des données sismiques, analyse des temps d’arrivée et support aux phases d’interprétation pour des objectifs didactiques ou des applications simples.

Limites et hypothèses

Comme toute méthodologie, la tomographie à réfraction présente des limites liées aux conditions de site et à la géométrie d’acquisition. En particulier:
  • la qualité du résultat dépend de la couverture, du nombre de canaux, de l’espacement, de la géométrie du dispositif et de la capacité à enregistrer des first arrivals fiables
  • une énergie insuffisante peut limiter la profondeur investigable
  • le bruit ambiant et un mauvais couplage des géophones peuvent réduire la qualité du signal
  • les contextes stratigraphiques avec inversions de vitesse peuvent limiter la résolution du modèle tomographique et nécessiter une intégration avec d’autres méthodologies

Ressources et références

Standards
Littérature scientifique
Articles avec utilisation d’instruments PASI
Manuels logiciels

Terminologie technique

  • Vp, vitesse des ondes P
  • Vs, vitesse des ondes S
  • first arrivals / first breaks 
  • travel-time inversion
  • modèle de vitesse
  • ray tracing / équation eikonale
  • régularisation / smoothing