Добірка наукової літератури з теми "Sismique par ondes de surface"

Localisés à distance des grandes limites de plaques lithosphériques, les domaines intraplaques présentent de faibles vitesses de déformation géologique, se traduisant par des niveaux de sismicité faibles à modérés, avec des temps de retour longs entre deux séismes significatifs. Dans ces régions, les processus de surface sont plus rapides que les processus tectoniques et tendent à effacer les éventuelles traces de rupture laissées en surface par des séismes majeurs du passé. L’estimation de l’activité des failles dans de tels contextes nécessite la mise en œuvre d’une approche pluridisciplinaire combinant géophysique, géologie et paléosismologie. Nous présentons ici l’approche développée par EDF, dans le cadre de ses études d’aléa sismique, pour améliorer la connaissance des failles en France métropolitaine, en se focalisant sur l’utilisation de la sismique réflexion (imagerie) à différentes échelles. Les lignes sismiques de Haute Résolution (HR ; i.e. sismique profonde de type pétrolière) permettent d’estimer la localisation et la géométrie des failles en profondeur, ainsi que leur histoire cinématique. La sismique ultra haute résolution en ondes S (UHRS) donne quant à elle une information sur la localisation des failles en très proche surface et permet de localiser d’éventuelles tranchées paléosismologiques visant à analyser l’activité des failles.

Réduire le mouvement sismique atteignant les ouvrages de surface par modification de l’effet de site sismique est une solution innovante pour contribuer à répondre aux objectifs de protection parasismique. Cela peut être obtenu par modification du sol dans la masse pour réduire l’effet de site lithologique ou bien par la mise en place de dispositifs d’atténuation des ondes de surfaces pour réduire l’effet de site géométrique. Des difficultés pratiques doivent encore être résolues, dont l’identification des situations où réduire le mouvement sismique peut être utile en lien avec le type d’ondes (de volume/de surface) concernées, la faisabilité pratique des travaux envisagés, et la nécessité d’intégrer le comportement non-linéaire du sol dans les études spécifiques d’effet de site sismique. Cet article propose un cadre permettant d’évaluer l’intérêt pratique d’une réduction de l’effet de site sismique. Il fait le lien entre les capacités à modifier les caractéristiques mécaniques des sols à l’échelle de petits bassins sédimentaires, et d’autre part les études spécifiques des effets de site lithologique 1D et géométriques 2D/3D. Dans les conditions restrictives d’une configuration tabulaire 1D ou d’un bassin de forme géométrique 2D simple, il explore, pour un chargement sismique donné, les possibilités de modification du mouvement sismique en surface. Quatre profils de sols types sont considérés : trois sols de caractéristiques mécaniques croissantes (module de Young effectif, amortissement effectif) et un quatrième profil comprenant la purge des formations superficielles. Les résultats permettent d’apprécier les effets respectifs d’une atténuation des ondes de surface se propageant horizontalement et des ondes de volume à propagation verticale.

La caractérisation de l’aléa sismique constitue un enjeu majeur dans le domaine du génie civil. En ingénierie des vibrations, il n’existe pas de domaine d’étude similaire bien que cette question soit décisive pour la prédiction de l’impact et de la gêne occasionnée (population, environnement, ouvrages, industrie de pointe). Cette caractérisation passe nécessairement par la connaissance des diverses sources de vibrations : exploitation des infrastructures (ferrées et routières), travaux de construction ou de rénovation (vibrofonçage, battages). Elle dépend fortement du mode de propagation des ondes mécaniques entre la source et le récepteur selon les sols (sites) et leur stratification. La nocivité des vibrations (i.e. capacité à occasionner des dégâts) dépendra donc du type de source, de la propagation, mais également de la réponse dynamique du récepteur exprimée en fonction de ses propriétés modales. Dans cet article, des simulations numériques sont combinées à des enregistrements de vibrations, liées à l’exploitation d’infrastructures ou engendrées par des chantiers. Dans l’hypothèse de sols à comportement viscoélastique et pour une configuration stratigraphique donnée, les niveaux de vibrations envisageables à la surface libre s’estiment en fonction de la distance à la source. Les enregistrements considérés permettent d’identifier des indicateurs pertinents et de proposer une classification simplifiée des sources et des sites. On combine ainsi les caractéristiques spectrales des sources (représentées par leur Transformée de Fourier) et la propagation entre la source et le récepteur au moyen d’une fonction de transfert (rapport spectral entre vibration à une distance donnée et celle au niveau de la source). La correspondance entre les propriétés spectrales des sources et celles d’un site donné est quantifiée par le facteur d’immunité (IMF) indépendamment du récepteur à considérer. Cette quantification représente l’ « aléa vibratoire » qui indique le niveau vibratoire attendu en entrée au niveau du récepteur. Ceci est similaire à la définition de l’aléa sismique utilisée dans l’Eurocode 8 pour les études de dimensionnement et renforcement sismique. En utilisant les paramètres comme le gradient de vitesse et le contenu spectral des enregistrements, les effets induits ont été analysés pour de multiples sources. Des indicateurs pertinents (vitesse moyenne à faible profondeur et gradient de vitesse) sont introduits afin de proposer une classification simplifiée de l’aléa vibratoire pour les différentes sources considérées. En cas d’absence de mesure pour une source et un site donnés, cette classification empirique pourra être utilisée afin d’estimer le niveau vibratoire attendu en entrée d’un récepteur.

Cet article traduit la volonté de deux maîtres d’ouvrages (ayant une compétence interne d’ingénierie conseils en géophysique), que sont SNCF Réseau et EDF, de mettre en commun leurs retours d’expériences pour améliorer la gestion des risques liés à l’aléa cavités souterraines sur des ouvrages de grands linéaires, en contexte ferroviaire ou hydraulique. Cette coopération a permis de valider plusieurs méthodes de diagnostic, par reconnaissance et auscultation, afin de détecter des cavités souterraines et de suivre leur évolution : dans deux contextes géologiques distincts (craie et marnes à gypse), les méthodes sismiques actives et passives basées sur les ondes de surface ont confirmé leurs performances théoriques, aussi bien pour des reconnaissances que de la surveillance en continu : (1) dans un contexte de cavités anthropiques dans la craie et hors nappe, les exemples présentés valident l’intérêt de certaines méthodes industrielles de reconnaissance (DCOS®, ParSeis®) et laissent espérer une industrialisation prochaine de plusieurs autres (SI active et passive), (2) dans le contexte de dissolution de gypse, ces mêmes méthodes utilisant le signal généré par les circulations ferroviaires se sont avérées très pertinentes pour assurer une surveillance en continu, via un monitoring 4D, du sol support de la plateforme ferroviaire. Le résultat de ce développement permettra de s’inscrire dans une démarche de maintenance prédictive vis-à-vis du risque fontis ; dans le contexte de dissolution de gypse, la mesure de déformation par fibre optique en place dans un remblai a démontré sa pertinence pour capter l’amorce de remontée d’un fontis, avant même l’apparition d’indice en surface. Enfin, il faut noter que les méthodes de reconnaissance et d’auscultation, présentées dans les deux premiers cas d’étude, pourraient favorablement être réalisées en utilisant une fibre optique comme celle exploitée dans le troisième cas d’étude, mais il faudrait un interrogateur optique différent de type DAS. Ceci est une perspective à laquelle s’intéressent les deux maîtres d’ouvrages.

Les digues de protection contre les inondations peuvent faire l’objet de campagnes de reconnaissance dans le but d’identifier d’éventuelles zones de faiblesse et de prévenir tout risque de défaillance. La méthode Multi-channel Analysis of Surface Waves (MASW), non invasive et à faible coût, offre un complément intéressant aux sondages géotechniques. Elle est notamment utile pour les ouvrages de grand linéaire car elle est employable en mode « grand rendement ». Cependant, la méthode MASW repose sur une hypothèse de milieu 1D stratifié, c’est-à-dire que la surface du sol ainsi que les interfaces entre les différentes couches de sol sont supposées horizontales. Cela n’est a priori pas compatible avec la topographie 3D de l’ouvrage. Nous avons réalisé une étude de sensibilité des résultats de MASW à la géométrie 3D d’une digue en nous appuyant à la fois sur des mesures expérimentales et sur des simulations. L’ouvrage considéré est une maquette de digue à l’échelle 1. Dans un premier temps, nous avons proposé une méthodologie de simulation permettant de reproduire numériquement la propagation d’une onde sismique en 3D pour la configuration de la maquette, et nous avons validé ce modèle par comparaison entre signaux numériques et acquisitions réelles. Dans un second temps, nous avons considéré différentes configurations de simulation dans le but d’évaluer l’influence de la géométrie 3D de l’ouvrage. D’après les résultats obtenus, la géométrie 3D de la digue entraîne une sous-estimation de la profondeur de l’interface entre la digue et le sol. En revanche, son influence sur l’estimation des caractéristiques des couches est négligeable. Ces résultats sont en accord avec le retour d’expérience terrain d’EDF. D’autres limites restent à approfondir par de nouvelles simulations, en considérant des ouvrages de plus grandes dimensions et à géométries plus complexes. De plus, l’exploitation de la maquette de digue se poursuivra avec la mise en œuvre de méthodes électriques, et avec des travaux sur les méthodes de fusion de données.

Les physiciens des ondes élaborent des modèles théoriques et numériques pour un contrôle accru de la lumière dans des matériaux structurés à l’échelle nanométrique et s’en inspirent pour contrôler les ondes mécaniques de Rayleigh dans des sols structurés à l’échelle métrique, avec des trous dans un sol ou des arbres en surface savamment agencés. Un transfert de paradigme s’opère entre les métamatériaux électromagnétiques pour la photonique et les métamatériaux sismiques pour le génie civil.

L’imagerie du manteau de la Terre est motivée par certaines questions fondamentales en géophysique, telle la compréhension des processus présents et passés de dynamique interne à l’origine de la tectonique des plaques. Depuis une vingtaine d’années, l’étude de l’intérieur de la Terre connaît une véritable révolution, notamment grâce au développement de techniques toujours plus performantes de tomographie sismique et à la puissance de calcul rendue possible par l’informatique. À l’heure actuelle, il est possible de calculer de manière précise le champ des ondes sismiques à travers des structures 3D arbitrairement complexes, en géométrie sphérique et pour des durées suffisantes, par des méthodes de calcul numérique, telle la méthode des « éléments spectraux ».

L’étape de l’interprétation sismique reste tributaire de la qualité des enregistrements des données, souvent affectés par des bruits cohérents et incohérents. Le but principal de ce travail consiste à l’utilisation du filtre "Surface Wave Noise Atténuation" basé sur la transformée de Fourier afin d’atténuer le bruit de surface présent sur une section sismique sommée en couverture multiple. Le filtre proposé a été appliqué dans le premier stade de notre test, sur des données sismiques synthétiques sur lesquelles un bruit organisé a été ajouté, tandis qu’en second, le filtre a été appliqué sur des données réelles, pour éliminer dans la mesure du possible le ground roll affectant l’image sismique avant et après sommation. L’optimisation des paramètres du filtre a permis d’obtenir une qualité sismique acceptable. Le recours à d’autres filtres, le filtre médian et le filtre gaussien en l’occurrence, ont permis d’atténuer le bruit résiduel et les réflecteurs apparaissent d’une façon encore meilleure.

La plasmonique est l’étude de l’interaction entre les électrons libres d’un métal et la lumière. Les plasmons polaritons de surface sont des modes plasmoniques localisés au niveau d’une interface entre un métal et un diélectrique. Ces ondes évanescentes, qui peuvent être obtenues expérimentalement par différentes approches, ont des propriétés de confinement du champ électrique qui trouvent de nombreuses applications dans le domaine des capteurs et de la spectroscopie.

Une simulation numérique par des éléments finis des écoulements transitoires à surface libre dans les canaux prismatiques est présentée. Dans cette étude, l'écoulement est supposé unidirectionnel dans un canal de faible pente. Le modèle mathématique est constitué d'un système de deux équations aux dérivées partielles de type hyperbolique résolu numériquement par la méthode des éléments finis. Pour définir les fonctions d'interpolation dans la forme intégrale des résidus pondérés, la méthode de Galerkin a été utilisée. Dans les applications, différentes sections prismatiques sont examinées. Les régimes transitoires étudiés sont dus à des manœuvres de vanne placée en aval du canal, l'extrémité amont étant connectée à un réservoir de niveau constant. Dans ces conditions, le régime transitoire correspond à une évolution de l'écoulement d'un régime permanent initial vers un régime permanent final. Ces deux régimes sont supposés uniformes à débit constant défini par la formule de Manning. Les résultats obtenus concernent l'évolution des paramètres hydrauliques en différentes sections du canal, suite à la manœuvre en aval. Deux cas de manœuvres sont considérés ; le cas d'une ouverture et le cas d'une fermeture. L'étude a permis d'analyser la propagation des ondes de surface et la réflexion de ces ondes sur les deux extrémités du canal. En particulier, les résultats numériques montrent que lorsque la largeur du lit du canal est très petite (cas de la section triangulaire), les fluctuations des profondeurs sont rapidement amorties.

Cette thèse nous a permis de produire des cartes de vitesse de groupe du mode fondamental des ondes de Rayleigh, en utilisant les séismes et les corrélations du bruit sismique ambiant. En plus de la méthode moindres carrées amortis, nous avons adapté la nouvelle méthode d’inversion, SOLA-Backus-Gilbert dans un contexte régional. À courte période, les cartes de vitesse de groupe présentent des vitesses rapides pour la croûte océanique et des vitesses lentes pour la croûte continentale. Pour les périodes intermédiaires, le bassin de Taoudeni se caractérise par de faibles vitesses par rapport au reste du craton ouest africain en raison de l’épaisseur de la couche sédimentaire. A longue périodes, les racines des dorsales Man-Leo et Reguibat sont caractérisées par des vitesses rapides, montrant une lithosphère froide et épaisse sous le craton, tandis que nous avons trouvé des vitesses de groupe lentes sous les zones de ceinture mobile panafricaine indiquant une lithosphère mince
This thesis allowed us to produce group velocity maps of the fundamental mode of Rayleigh waves, using both earthquakes and seismic ambient noise correlation. In this study, in addition to the damped least squares method, we adapted for the very first time a new inversion method, called SOLA-Backus-Gilbert in regional context. At short periods, the group velocities maps exhibit fast velocities for the oceanic crust and slow velocities for the continental crust. For the intermediate periods, the Taoudeni Basin is characterized by low velocities compared to the rest of the west african craton due to the thickness of the sedimentary layer. Over long periods, the roots of the Man-Leo and Reguibat shields are characterized by fast velocities, showing a cold and thick lithosphere under the craton, while we found slow group velocities under the Pan-African orogenic belts zones indicating a thin lithosphere

La tomographie sismique est un outil essentiel à la compréhension de la dynamique du manteau, notamment parce qu'elle pourrait imager les mouvements de convection. Dans la première partie de cette thèse, nous réalisons une tomographie en vitesse d'onde S du manteau supérieur antarctique par l'analyse d'ondes de surface multimodes, ce qui assure une bonne résolution verticale jusqu'à au moins la zone de transition. La résolution latérale est aussi meilleure que celle des études précédentes. Ont ainsi été imagées des anomalies lentes profondément enracinées sous l'Antarctique de l'Ouest. Ces anomalies sont des éléments nouveaux importants pour discuter l'origine du volcanisme de cette région. Cette étude s'insère de plus dans la construction d'un modèle global du manteau supérieur. La précision de ces images reste toutefois insuffisante pour détecter des objets étroits tels que les panaches mantelliques. Avec les données habituelles, la taille de ces structures approche en fait la limite théorique de la résolution latérale en théorie des rais, utilisée classiquement en tomographie. Afin d'améliorer la précision des images, la seconde partie de cette thèse propose donc une méthode de tomographie intégrant une théorie de propagation à fréquence finie dérivée du scattering linéarisé, plus précise. Appliquée à des données synthétiques, cette tomographie à fréquence finie remplit bien son objectif en donnant effectivement des images plus précises. Appliquée aux données réelles de l'Antarctique, les résultats ne sont pas aussi convaincants et on a même du mal à voir une amélioration des images. D'après ces premiers résultats, raffiner la théorie de propagation tel que nous l'avons fait ici ne semble donc pas être la solution décisive pour faire progresser d'un grand pas l'imagerie du manteau par les ondes de surface, du moins avec la qualité des données actuelles. D'autres aspects de la propagation restent à explorer
Seismic tomography is a crucial tool to understand mantle dynamics particularly because it is a good way to image the convection motions. The first part of this work is a S-wave velocity tomography of Antarctica upper mantle by the analysis of multimode surface waves. Using these data insures a high vertical resolution down to at least the transition zone. The lateral resolution is also better than in previous studies. We have imaged deeply-rooted low-velocity anomalies beneath West Antarctica that are new and important elements to discuss the origin of the regional volcanism. This study is also part of the building of a global upper mantle model. However, these images are not accurate enough to detect narrow objects like mantle plumes. With the usual data set, the size of such structures is actually close to the theoretical limit of the lateral resolution in ray theory, commonly used in tomography. To improve the accuracy of the images, in the second part of this work, we therefore propose a tomography method including a finite frequency wave propagation deduced from first-order scattering theory, more precise than ray theory. Applied to synthetic data, this finite frequency tomography indeed succeeds in producing more precise images. When applied to the real antarctic data set, the results are not however convincing. An improvement of the imaging is even hardly observed. From these first results, improving the propagation theory as we have done here thus does not appear to be the conclusive solution to make tremendous progress in seismic imaging of the mantle from surface waves, at least with the quality of the present data sets. Other aspects of wave propagation should now be explored

Cette thèse porte sur l’application de la technique de corrélation de bruit sismologique ambiant pour l'imagerie et le suivi des réservoirs géothermiques de Rittershoffen (ECOGI) et de Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). La forte variabilité spatio-temporelle des sources du bruit de fond sismologique dans la gamme de période 0.2-7s limite la reconstruction des fonctions de Green. Cela induit des erreurs dans la construction des modèles de vitesse. Deux approches sont proposées pour s’affranchir des effets de la non-uniformité spatiale du bruit. Par ailleurs, la variabilité temporelle des sources de bruit est un facteur limitant pour le suivi du réservoir. On estime que les perturbations de vitesse doivent être de l’ordre de 0.1% à 1% pour pouvoir être détectées par les réseaux disponibles. Ce seuil n’a pas été franchi lors de la construction du site Rittershoffen mais une modification probable des propriétés diffractantes du milieu a été observée à la suite d’une stimulation
This work focuses on the application of the ambient seismic noise correlation technique for the imaging and monitoring of deep geothermal reservoirs near Rittershoffen (ECOGI) and Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). The strong spatial and temporal variability of the noise sources in the period range 0.2-7s limits the reconstruction of the Green’s functions. This results in significant errors in the velocity models. Two approaches are proposed to overcome the spatial non-uniformity of the noise and to improve the quality of the velocity models. Besides that, the temporal variability of the noise sources is a limiting factor for monitoring purposes. We estimate that the speed variations should be larger than 0.1% to 1% to be detected by the available networks. This threshold was not reached at Rittershoffen during the drillings or the stimulations. However, a probable change of the diffracting properties of the medium was observed following a hydraulic stimulation

La tomographie sismique, consistant à retrouver les vitesses de propagation des ondes dans le sous-sol, est une étape décisive pour l’obtention d’images géologiques précises nécessaires à l’exploration pétrolière. La méthode proposée, basée sur l’inversion des temps de trajets et des pentes des ondes sismiques, traite conjointement les données de surface et les arrivées directes au puits. Ces dernières permettent une meilleure fiabilité du champ de vitesses en terme de précision et de calage profondeur. L’utilisation de la pente permet de les rétropropager dans le modèle résultat pour en estimer la qualité en terme de capacité de focalisation. La méthode est appliquée à deux jeux de données réelles. L’un ne fournit que des données de puits se révèlant incapables de contraindre correctement les paramètres du modèle pour cause de couverture trop faible en surface. Le second démontre la complémentarité des données de surface et de puits et l’amélioration de l’imagerie due à ces dernières
Seismic tomography, which aims to determine propagation velocities of waves in the subsoil, is a key point in obtaining accurate geological images in petroleum exploration. The methodology proposed here consists in inverting both seismic waves traveltimes and slopes and jointly uses surface data and direct borehole arrivals. These latter allow better reliability of the velocity field because they can provide more accurate values and enhanced depth fitting. Using slopes, they can be retropropagated in the inverted model in order to assess its quality in terms of focusing capability. The method is applied on two data sets. First one provides borehole data only and is unable to correctly constrain model parameters, due to lack of coverage at surface. Second one demonstrates that joint use of surface and borehole data provides enhanced seismic images compared to use of surface data alone

La connaissance des structures internes de la Terre, à différentes échelles, présente des enjeux majeurs d'ordres économiques, humains, environnementaux et scientifiques. Diverses méthodes d'imagerie ont été développées en utilisant les informations contenues dans les ondes sismiques. La méthode d'inversion des formes d'ondes construit des images quantitative haute résolution des paramètres physiques du sous-sol, en exploitant le champ d'onde complet, sous la forme d'un problème d'optimisation. Dans ce travail de thèse, je présente l'application de l'inversion des formes d'ondes en domaine fréquentiel, pour imager les paramètres visco-élastiques dans des géometries à deux dimensions à grands offsets. Dans un premier temps les développements méthodologiques et algorithmiques sont présentés. La modélisation de la propagation des ondes P-SV en domaine fréquentiel, le problème direct du processus d'imagerie, est assurée par une méthode d'éléments finis Galerkin discontinus, assurant une grande flexibilité dans le choix des ordres d'interpolation et dans l'utilisation de maillages triangulaires non-structurés. Le problème inverse est résolu sous une forme linéarisée, afin de limiter le nombre de simulations directes, et utilise l'algorithme quasi-Newton L-BFGS permettant de tirer bénéfice de l'estimation "économique" du Hessien. Le processus global d'imagerie est implémenté sous la forme d'un algorithme massivement parallèle destiné aux calculateurs modernes à mémoire distribuée. Dans un deuxième temps, les algorithmes développés sont appliqués à des cas d'étude. Des applications sont menées dans des modèles synthétiques réalistes représentatifs d'environnements terrestres et marins. Ces études montrent les difficultés associées à la reconstruction des paramètres élastiques à partir de données mettant en jeu des phénomènes de propagations complexes (ondes converties, multiples, ondes de surfaces...). Des solutions sont proposées sous forme de processus hiérarchiques multi-échelles, afin de limiter les effets des non-linéarités du problème inverse et ainsi d'améliorer la convergence du processus vers le minimum global. Enfin, la sensibilité de différentes normes et critères de minimisation est analysée, à partir de données bruités issues de modèles synthétiques réalistes, ainsi que sous l'approximation acoustique pour un jeu de données réelles pétrolière. Ces tests montrent certaines limites du formalisme classique basé sur la norme L2 dans l'espace des données, tandis que la norme L1 apparaît comme alternative robuste pour l'inversion de données décimées en domaine fréquentiel.

Les voies ferrées, construites pour la plupart depuis plus d'une centaine d'années, sont des ouvrages vieillissants. Elles nécessitent une maintenance et un entretien accrus, ce qui constitue un enjeu technique et économique majeur pour les années à venir. Jusqu'à l'ouverture des marchés à la concurrence, la mise en œuvre des voies nouvelles était vérifiée empiriquement par la SNCF. Du fait de la mise en œuvre de la directive européenne 91/440/10, l'exploitant historique se tourne d'un objectif de moyen vers un objectif de résultat. Cela nécessite donc de disposer de méthodes d'auscultation non destructives, permettant de vérifier que le compactage du ballast est correctement réalisé, avant de faire circuler le trafic voyageurs, en vue de garantir un niveau de sécurité élevé. Cette première approche pourrait être poursuivie pour assurer une auscultation à grand rendement. Cependant, les méthodes existantes permettant d'obtenir l'état de compactage du ballast à la mise en œuvre sont ponctuelles et difficiles à mettre en place; elles ne répondent pas à la problématique de doublement de la maintenance des voies des prochaines années. L'étude de la propagation d'ondes vibratoires dans le ballast est une alternative à ces méthodes qui peut permettre de répondre à ces contraintes. Le ballast est un milieu discontinu complexe pour la compréhension des ondes car elles se propagent dans un chaînon de force. Il présente une grande difficulté dans la modélisation du fait de la taille élevée des éléments et doit être traité comme un milieu discret ne répondant pas à une mécanique élastique de milieu continu. Étant donné la difficulté de modéliser cette couche discrète, il convient de traiter le problème par l'expérimentation. L'objectif de cette thèse est donc d'orienter la recherche vers l'utilisation de la propagation des ondes vibratoires dans la structure de la voie. Ce mémoire est organisé comme suit :- un premier chapitre détaille la structure de la voie ferrée et le matériau granulaire qu'est le ballast, ainsi que les méthodes de diagnostic des voies ferrées existantes.- le deuxième chapitre décrit les différents types d'ondes vibratoires se propageant dans un milieu élastique homogène, puis dans le ballast, et étudie la réponse du ballast à travers celle de la traverse ferroviaire.- Ces deux chapitres, issus de l'état de l'art, permettent de définir dans le chapitre trois les expérimentations réalisées dans le cadre de ce travail sur une structure ferroviaire en vraie grandeur : mise en œuvre, instrumentation, résultats. Ce chapitre s'attache particulièrement à décrire la vitesse des ondes et leur amortissement dans le ballast, les courbes de dispersion mesurées.- Enfin, la propagation d'une onde vibratoire dans le ballast est étudiée dans le chapitre quatre par le biais d'une simulation numérique, avec la comparaison de deux modélisations discrète et continue avec l'expérimentation
Railways, most of them built for over one hundred years, are old structures. They require increasing maintenance, a major technical and economic challenge for the coming years. Until the opening of markets to competition, the implementation of new railroads was empirically controlled by SNCF. Because of the application of the European directive 91/440/10, the historical operator turns from a goal of means to a goal of results. This calls for non-destructive highly efficient auscultation methods to check the right compaction of the ballast. However, existing methods for obtain ballast compaction assessment during implementation stage are surface-limited and difficult to apply; they do not respond to the issue of the doubling of track maintenance. Thus the study of the propagation waves in the ballast is an alternative to these methods and may allow to answer these requirements. The ballast is a discontinuous medium, complex for the understanding of waves, as they propagate in a force link. Modelling ballast is especially difficult because of the large size of its components and because it should be treated as a discrete environment, not following the elastic mechanics of continuous media. Given the difficulty to model this discrete layer, it is necessary to undertake the problem with experimentation. The aim of this thesis is to focus on the use of the propagation of vibration waves in the railroad structure. This work is organized as follows : the first chapter details the structure of the railroad and the ballast as a granular material, and the existing assessment methods for railroad. The second chapter describes the different types of vibration waves that propagate, first, in an elastic homogeneous medium, second in the ballast, and presents the answer of ballast through the answer of the sleeper. The two previous chapters, derived from the state of the art, allow to define in chapter three the experiments implemented as part of this work on a full scale railroad structure : realization, instrumentation, results. This chapter especially endeavours to describe the waves celerity, their damping in ballast and the measured dispersion curves. Finally, the propagation of a vibration wave in the ballast is studied in chapter four and a numerical simulation, compares with a disctete model and a continuous model with experimental results

Les ondes de surface de période 10-100 secondes sont sensibles à la rigidité de la lithosphère échantillonnée. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l'étude des variations latérales de la lithosphère par l'analyse des ondes de surface. La longueur d'onde des variations latérales étudiées est de l'ordre de grandeur décakilométrique. Les méthodes habituellement utilisées avec des stations sismologiques espacées de plusieurs centaines de kilomètres ne sont donc plus satisfaisantes. C'est pourquoi nous avons développé des analyses dites de réseaux denses ou régionaux. Ainsi nous pouvons déterminer les variations latérales de la structure lithosphérique et étudier la propagation des ondes de surface à l'échelle régionale. Nous avons appliqué ces analyses de réseau pour trois études régionales différentes. Tout d'abord nous avons montré les variations brutales de la structure crustale de part et d'autre de la suture du Tsangpo au sud du plateau tibétain. Pour cela, nous avons analysé la vitesse de phase locale ainsi que les variations d'amplitude au travers de la suture. Au nord de la suture du Tsangpo nous avons déterminé une zone à moindre vitesse dans la croûte inférieure alors que nous ne l'observons pas au sud de la suture. Nous avons aussi étudié la lithosphère dans les Alpes françaises et nous avons montré qu'elle s'épaississait d'ouest en est, de 85 à plus de 200 km d'épaisseur sous l'axe de la chaîne alpine. Par ailleurs, nous nous sommes intéressés aux anomalies de la propagation des ondes de surface dans cette région en dissociant les effets dus aux échelles globale et locale. Finalement, nous avons aussi travaillé sur la zone de Sorgenfrei-Tornquist qui sépare l'Europe phanérozoïque à l'ouest de l'Europe paléozoïque à l'est. Nous montrons qu'au sud-ouest de cette zone la lithosphère est peu épaisse, autour de 50-100 km, et qu'au nord-est elle atteint une épaisseur supérieure à 200 km sous le bouclier baltique. Au niveau de la transition, la lithosphère est épaisse de 120 km .

Imager les structures en profondeur de la chaîne des Pyrénées est un sujet d’étude de longue date ayant pour but à la fois de mieux connaître les processus géodynamiques responsable de sa genèse, mais aussi de nous permettre d’améliorer la prévention des risques sismiques associés à la dynamique de ces structures. L’objectif de cette étude est d’utiliser la tomographie de bruit sismique ambiant pour obtenir des images 3D de la région Pyrénéenne à deux échelles différentes. Premièrement, à l’échelle crustale, afin de contraindre les grandes structures en profondeur de l’orogène et leurs continuités dans l’espace. Deuxièmement, à l’échelle d’un bassin sédimentaire caractéristique de l’histoire géologique complexe des Pyrénées, le bassin de Mauléon-Arzacq situé au Nord-Ouest de la chaîne.Nous allons ici utiliser la méthode de corrélation du bruit sismique ambiant (notée C1) qui est un moyen efficace pour retrouver les temps de propagation des ondes de surface entre une paire de sismomètre. Cette méthode est maintenant largement utilisée pour la tomographie sismique et la surveillance temporelle de structures sismogènes. Dans cette étude, nous poussons plus loin cette méthode de corrélation de bruit et proposons deux méthodologies innovantes appelées corrélations d'ordre supérieur (C2 et C3), correspondant à des itérations de corrélations de bruit. Ces méthodes nous permettent d'améliorer à la fois la qualité et la quantité des mesures de dispersion des ondes de surface entre les paires de stations synchrones, mais aussi asynchrones, c’est-à-dire qui n’ont pas fonctionné en même temps. En utilisant ces méthodes innovantes, nous avons amélioré considérablement la couverture spatiale des modèles à l'intérieur et autour des Pyrénées.Par la suite, en utilisant un schéma d'inversion probabiliste bayésien, nous avons obtenu deux nouveaux modèles haute résolution de vitesse des ondes de cisaillement, incluant aussi les densités de probabilité des limites de couches (ou interfaces sismiques).À grande échelle, le modèle crustale Pyrénéen montre une subduction de la plaque ibérique sous la plaque eurasienne dans la partie Ouest des Pyrénées qui disparaît dans la partie Est. L’utilisation de corrélation d’ordre supérieur a permis de l’étendre au golfe de Gascogne et a permis d'imager ses structures pour la première fois dans un modèle Vs de cette échelle. En particulier, nous avons pu imager des anomalies de vitesses rapides qui se trouvent proche de la surface aux niveaux des anomalies gravimétriques de Mauléon et de Saint-Gaudens. Ce résultat apporte un élément supplémentaire pour répondre à l'une des grandes questions latentes des Pyrénées, à savoir la source de ces anomalies gravimétriques. Ces résultats confortent l'hypothèse qu’elles sont causées par la présence d'écailles de matériel dense proche de la surface.À plus petite échelle, le modèle du bassin de Mauléon-Arzacq a permis de révéler en détail la structure en profondeur de leur substratum mais aussi d'imager la limite nette que forme le Chevauchement Frontal Nord Pyrénéen entre ces deux bassins
Imaging the structures in depth of the Pyrenees mountain range is a long-standing subject of study with the aim both of gaining a better understanding of the geodynamic processes responsible for its genesis, and also of enabling us to improve the prevention of seismic risks associated with the dynamics of these structures. The objective of this study is to use ambient seismic noise tomography to obtain 3D images of the Pyrenean region at two different scales. Firstly, at the crustal scale, in order to constrain the large structures in depth of the orogen and their continuities in space. Secondly, on the scale of a sedimentary basin characteristic of the complex geological history of the Pyrenees, the Mauléon-Arzacq basin located in the north-west of the chain.Here we will use the method of correlation of the ambient seismic noise (noted C1) which is an efficient way to retrieve the propagation times of surface waves between a pair of seismometers. This method is now widely used for seismic tomography and temporal monitoring of seismogenic structures. In this study, we further develop this noise correlation method and propose two innovative methodologies called high order correlations (C2 and C3), corresponding to iterations of noise correlations. These methods allow us to improve both the quality and the quantity of surface wave dispersion measurements between pairs of synchronous, but also asynchronous, i.e. not operating at the same time. By using these innovative methods, we have considerably improved the spatial coverage of the models in and around the Pyrenees.Subsequently, using a Bayesian probabilistic inversion scheme, we obtained two new high-resolution models of shear wave velocities, also including the probability densities of the layer boundaries (or seismic interfaces).At large scale, the Pyrenean crustal model shows a subduction of the Iberian plate under the Eurasian plate in the western part of the Pyrenees which disappears in the eastern part. The use of higher-order correlation has made it possible to extend it to the Bay of Biscay and has made it possible to image its structures for the first time in a Vs model of this scale. In particular, we have been able to image fast velocity anomalies that lie close to the surface at the levels of the Mauléon and Saint-Gaudens gravimetric anomalies. This result brings an additional element to answer one of the great latent questions of the Pyrenees, namely the source of these gravimetric anomalies. These results confirm the hypothesis that they are caused by the presence of scales of dense material close to the surface.On a smaller scale, the model of the Mauléon-Arzacq basin allowed to reveal in detail the deep structure of their substratum but also to image the clear limit formed by the North Pyrenean Frontal Overlap between these two basins

La caractérisation de l'état mécanique des plateformes ferroviaires (PF) est essentielle pour garantir la sécurité et la pérennité du réseau ferré. Les méthodes d'investigation géotechniques, couramment utilisées, permettent d'accéder aux paramètres mécaniques mais ne fournissent qu'un aperçu épars de l'état du milieu investigué et restent donc limitées par leur nature ponctuelle et leur faible rendement. En parallèle, les méthodes géophysiques capables d'apprécier la qualité mécanique des couches de la PF sont actuellement peu adaptées au contexte ferroviaire. Les récents développements et applications de la méthode sismique par ondes de surface dans les problématiques géotechniques et ferroviaires en font une technique d'investigation non destructive prometteuse. Une preuve de concept démontrant la faisabilité et la reproductibilité de la méthode sismique par ondes de surface pour la caractérisation des PF a donc été réalisée sur un site pilote. Cette méthode a montré qu'elle était capable de détecter des variations des propriétés mécaniques en lien avec des désordres de la plateforme. La formulation bayésienne de l'inversion a permis d'évaluer et de quantifier les incertitudes sur les résultats obtenus, offrant ainsi un outil d'aide à la décision. Les étapes d'acquisition et de traitement ont été abordées afin de proposer des outils à plus haut rendement et adaptés aux contraintes d'exploitation ferroviaire. Des techniques de mise en œuvre plus rapides, ne nécessitant pas l'étape fastidieuse d'implantation des géophones dans le sol, ont été évaluées. La comparaison d'un dispositif tracté de type landstreamer avec un dispositif classique a permis de valider son utilisation, tant sur les pistes que sur les voies. Afin d'automatiser la tâche de traitement des ondes de surface, consistant à pointer la dispersion, un outil basé sur de la segmentation d'images a été développé. La base de données utilisée pour l'apprentissage a été créée à partir de modèles de sol caractéristique des PF. Le modèle basé sur l'architecture U-Net, permet une identification précise des maxima d'énergie et une attribution des modes de propagation. Enfin, dans le but d'améliorer la complémentarité entre méthodes géophysiques et géotechniques lors de la construction des a priori et des interprétations, des tests de corrélation entre la vitesse de cisaillement et la résistance à la pénétration ont été menés. L'évaluation des lois de passage issues de la bibliographie a ainsi permis de faire le lien entre la méthode sismique par ondes de surface et les outils conventionnels de caractérisation des PF
Characterizing the mechanical properties of railway trackbeds (RT) is essential to ensure the safety and durability of the rail network. Currently, the geotechnical investigation methods used provide access to the mechanical parameters of the RT and the shallow railway earthwork (RE), but they only offer a scattered overview of the state of the medium being investigated, and are therefore limited by their ad hoc nature and low efficiency. Geophysical methods capable of conducting a mechanical diagnosis of the RT are, as of now, poorly adapted to the railway context. However, recent developments and applications of the seismic surface-wave method to geotechnical problems and the railway context make it a promising non-destructive investigation technique. A proof of concept was thus conducted at a pilot site, demonstrating the feasibility and reproducibility of the surface-wave method for characterizing RE. The method proved capable of detecting variations in mechanical properties associated with RT issues. The Bayesian formulation of the inversion allowed for the assessment and quantification of uncertainties in the proposed results, thereby offering a valuable decision-making tool. The acquisition and processing stages were addressed in order to propose more efficient tools. Faster implementation techniques that reduce the time-consuming step of installing geophones in the ground were evaluated. The comparison of a towed setup, such as a landstreamer, with a conventional setup was used to validate its application in a railway context, both on the cess and the track. A tool based on artificial intelligence algorithms, specifically image segmentation algorithms, was developed to automate the task of surface-wave dispersion picking. The database used for training was created from wavefield modeling in a soil model characteristic of RT. The developed U-Net architecture enables precise identification of energy maxima and assignment of propagation modes. Lastly, to enhance the complementarity between geophysical and geotechnical methods when constructing and interpreting a priori, correlation tests between shear-wave velocity and cone resistance were conducted. The evaluation of laws from the literature facilitated the link between the seismic surface-wave method and conventional RE characterization tools

Trois thèmes sont abordés dans cette thèse. Etude des équations paraxiales qui décrivent des ondes se propageant dans une direction privilégiée, application à la sismique réflexion. Ensuite, application de la technique de Wiener hopf qui permet de résoudre le problème de la diffraction d'une onde acoustique par une fissure rectiligne semi-infinie. Enfin, étude de la vitesse de l'onde en fonction de la profondeur à partir de la trace de la solution de l'équation des ondes à deux dimensions.

Le Chili est un pays sismique. A cause de la convergence rapide entre deux grandes plaques tectoniques, beaucoup de séismes s’y produisent. En moyenne une fois par décennie l’un d’entre eux dépasse la magnitude 8. Les segments susceptibles de produire ces grands séismes sont révélés par la mesure précise de la déformation de la surface terrestre au moyen de la géodésie spatiale.

Au cours des dernières décennies, le développement de l’InSAR et de la corrélation optique ainsi que l’augmentation considérable des données satellitaires ont révolutionné la mesure des déplacements de surface induits par l’activité sismique. Dans ce chapitre, nous présentons tout d’abord une vue d’ensemble de ce que nous avons appris en 30 ans d’InSAR tectonique. Pour chaque phase du cycle sismique, nous passons en revue l’histoire des études InSAR et ce qu’elles nous ont appris sur les failles et les tremblements de terre. Dans la deuxième partie du chapitre, nous nous concentrons sur l’étude des séismes de rupture en surface à l’aide de la corrélation optique. Nous décrivons brièvement la technique ainsi que ses avantages et ses limites. Nous montrons ensuite des exemples de champs de déplacement de surface 2D et 3D obtenus par corrélation optique. Enfin, nous passons en revue les connaissances sur les tremblements de terre et la mécanique des failles apportées par les champs de déplacement à haute résolution obtenus par corrélation optique.

Depuis les dix dernières années, la communauté géotechnique s’intéresse de plus en plus à une technique géophysique basée sur l'analyse du bruit ambiant enregistré à l’aide d’un sismomètre à trois composantes à la surface du sol. Le but de cette technique est de calculer le rapport des spectres d'amplitude de Fourier des composantes horizontale et verticale de l'enregistrement, communément appelé HVSR. (Horizontal to Vertical Spectral Ratio). Lorsque le contraste de vitesse de l'onde de cisaillement entre le substratum rocheux, ou un till dense, et le sol au-dessus est suffisamment élevé, la courbe HVSR montre généralement un pic net à une fréquence correspondant à la fréquence fondamentale du site. En raison de sa mise en œuvre simple sur le terrain et de son faible coût, cette technique est bien adaptée à la cartographie de la fréquence fondamentale pour le microzonage sismique et à l'évaluation des effets potentiels de double résonance entre le sous-sol et les structures construites au-dessus. Cette technique peut également être utilisée pour estimer la profondeur du substratum rocheux et pour extrapoler des profils de vitesse des ondes de cisaillement jusqu'à un substratum rocheux profond dans des analyses de réponse dynamique spécifiques au site. En outre, la connaissance de la fréquence fondamentale peut permettre d’identifier des erreurs dans le profil de vitesses des ondes de cisaillement. Quelques exemples pris dans l’est du Canada illustrant ces différentes applications sont présentés et discutés de manière critique dans l'article, en mettant l'accent sur les limites de la technique.

Les vallées enfouies constituent un type d'aquifère important dans le paysage glaciaire du Canada. En raison de l'histoire complexe de l'érosion et du remplissage, il peut être difficile de définir la géométrie de la vallée et les caractéristiques des sédiments. Des transects sismiques de deux vallées enfouies précédemment identifiées ont été acquis en Ontario à l'Arboretum de l'Université de Guelph et dans un environnement périurbain au sud de la ville voisine d'Elora. Une étude de sismique réflexion à haute résolution a permis de recueillir trois kilomètres linéaires de données le long de quatre transects. Cette étude a été complétée par une étude microtremor HVSR (rapport spectral horizontal/vertical) le long des profils de réflexion. L'objectif de l'étude globale était d'améliorer la résolution des géométries des vallées et des caractéristiques des sédiments. Un autre objectif était de tester la capacité de la méthode HVSR à fournir des informations de reconnaissance sur la présence de vallées enfouies dans une zone à la lithostratigraphie complexe. Les deux méthodes sismiques ont permis de délimiter les vallées enfouies. Trois des quatre transects de réflexion sismique ont permis d'imager les vallées enfouies qui mesurent environ 200 m de large et 30 à 65 m de profondeur. Les vallées ont des côtés asymétriques abrupts avec un caractère en escalier à un endroit. Les levés HVSR ont permis d'imager la surface du substratum rocheux ainsi qu'une unité de haute résonance moins profonde qui correspond à une unité de till. La méthode s'est avérée efficace en tant que technique de reconnaissance lorsque des contraintes géologiques sont disponibles. Ce rapport contient trois annexes avec des données, des informations de traitement et des images interprétées.