GEOPHYSIQUE GENERALE ESMG CYCLE INGENIEUR DE CONCEPTION (1ère année) Instructeur: Mr. KANTE Fodé Kadialy Enseignant-chercheur/Dept STeRMi Spécialité : Géophysique Pétrolière Introductions KANTE Fodé Kadialy -Enseignant chercheur/ STeRMi Yourselves Nom, prénom Background (Stages effectués) Projet professionnel 2 Objectifs du cours Citer les différentes méthodes géophysiques et leurs applications; Comprendre les fondements physique et géologique méthodes électrique et magnétique; Comprendre la théorie de la propagation des ondes sismiques Maîtriser les connaissances de base et le langage technique nécessaire pour une étude géophysique (électrique, magnétique et sismique) 3 Plan du cours INTRODUCTION CHAPITRE 0: INTRODUCTION GENERALE CHAPITRE I: METHODES ELECTRIQUES CHAPITRE II: METHODES MAGNETIQUES CHAPITRE III: METHODES SISMIQUES CONCLUSION 4 Reminder The Trainer is here to help you at all times. If you don’t know or understand something - DO PLEASE ASK ● It is your responsibility to ensure that you do! ● It’s why the trainer is here! (don’t always know the answers, but generally we know someone who does.) PLEASE ENJOY THE COURSE... 5 CHAPITRE 0 : INTRODUCTION GENERALE Introduction Définition de la géophysique ● Géophysique du globe ● Géophysique appliquée Propriétés physiques et méthode géophysiques ● Methodes géophysiques ● Propriétés physiques Conclusion 6 De l’Acquisition à l’Interprétation ACQUISITION TRAITEMENT THEORIE DE LA METHODES INTERPRETATION 7 Définition La géophysique, c’est la science qui étudie les propriétés physiques de la terre. Elle se divise en deux principales branches: La physique du globe La géophysique appliquée 8 Physique du globe Elle étudie les phénomènes physiques qui se passent dans la terre et ses alentours Séismes ● Courants atmosphériques ● Forme et structure de la terre ● Etc ● Cette branche s'occupe de la terre depuis l'atmosphère jusqu'au noyau. 9 La géophysique appliquée C’est l’application des principes fondamentaux de la physique du globe à la prospection. Ses objectifs c'est de mettre en évidence les substances utiles telles que les eaux souterraines, les minérais, le pétrole.. Elle apporte aussi sa contribution aux travaux de génie civil tels que la construction des autoroutes, la construction des barrages, la construction des ponts (études de site) 10 Les propriétés physiques La densité; Susceptibilité magnétique; Vitesse des ondes, La résistivité, le potentiel électrique, La radioactivité, Gradient géothermique etc 11 Les méthodes géophysiques Le sous-sol est caractérisé par des constantes physicochimiques des roches, la géophysique appliquée procédera à la mesure de ces constantes (ou paramètres) pour en déduire une interprétation en terme de géologie Dans certains cas, la mesure de ces paramètres conduira à la détection directe de l’objectif recherché (cas de la mesure de la susceptibilité magnétique qui conduit à la détection du minerai de fer) 12 Les méthodes géophysiques dans d’autres cas, elle recherchera les conditions géologiques favorables à la présence des substances recherchées. C’est la méthode indirecte dont l’exemple le plus classique est la recherche du pétrole Selon les paramètres recherchés, spécifiques seront donc appliquées des méthodes 13 Les méthodes géophysiques Les principales méthodes utilisées sont : Les méthodes gravimétriques : elles permettent de mettre en évidence les anomalies du champ de pesanteur qui ont pour origine les variations de densité ; Les méthodes magnétiques : elles étudient les anomalies du champ magnétique terrestre due au magnétisme des roches (la susceptibilité magnétique) ; 14 Les méthodes géophysiques Les méthodes électromagnétiques étudient le champ électromagnétique des roches du sous-sol ● Max-Min ● VLF (Very Low Frequency) ● Tellurique Les méthodes géothermiques étudient le gradient géothermique (les forages ou à la surface de la terre) 15 Les méthodes géophysiques Les méthodes sismiques qui étudient la propagation des ondes mécaniques dans le sous-sol Sismique réfraction ● Sismique réflexion ● Les sismiques de puits ● Les méthodes électriques : elles étudient la résistivité, la conductivité et le potentiel électrique, les propriétés diélectriques du sous-sol Les trainées électriques ● Le sondage électrique vertical ● 16 Les méthodes géophysiques Les méthodes radiométriques : elles étudient la radioactivité des roches ainsi que leur teneur en uranium, thorium et potassium Radioactivité naturelle ● Radioactivité provoquée ● spectrométrie ● Le rôle des différentes méthodes dépend des types de recherche et des objectifs de recherche 17 CHAPITRE I: METHODES ELECTRIQUES Introduction Fondements physiques ● Champ et potentiel créés par une source ponctuelle (1/2 milieu homogène) ● Champ et potentiel créés par deux sources ponctuelles (1/2 milieu homogène) Fondements géologiques Notion de résistivité apparente Les dispositifs électriques Profondeur d'investigation du courant Conclusion 18 Les méthodes électriques Les méthodes électriques sont des méthodes de prospection géophysique basées sur l’étude des propriétés électriques des roches et structures géologiques du sous-sol potentiel électrique, résistivité électrique, conductivité électrique, la permittivité diélectrique. Le champ électrique peut être provoqué, donc artificiel ou naturel 19 Les méthodes électriques L’application de ses sous-méthodes connaît des progrès dans la recherche hydrologique, minière et pétrolière. Sa profondeur d’investigation est relativement faible (0 à 600 mètres). Leur application sur un terrain donné permet de subdiviser le terrain en zone conductrice et zone nonconductrice. 20 Fondements physiques 1. Champ et potentiel électrique créés par une source ponctuelle dans un demi-milieu homogène et isotrope: Dans ce contexte, un milieu est dit homogène quand ρ ne dépend pas du point du milieu où l’on se trouve, isotrope, quand ρ ne dépend pas de la direction du courant. . 21 Fondements physiques Champ et potentiel électrique créés par une source ponctuelle dans un demi-milieu homogène et isotrope: 22 Fondements physiques Champ et potentiel électrique créés par une source ponctuelle dans un demi-milieu homogène et isotrope: 1. . ● A demontrer 23 Fondements physiques 2.Champ et potentiel électrique créés par deux sources ponctuelles dans un demi-milieu homogène et isotrope 24 Fondements physiques Champ et potentiel électrique créés par deux sources ponctuelles dans un demi-milieu homogène et isotrope: 1. . ● A demontrer 25 Fondements géologiques La résistivité d’une roche peut varier suivant l’état et les conditions de gisement de cette roche (structure interne, température, saturation,…). La résistivité électrique d’une même roche va osciller dans un intervalle très vaste. Cela va s’expliquer principalement par le fait que très peu de minéraux sont conducteurs. La plupart des roches conduisent le courant électrique grâce aux ions qui se trouvent dans les solutions de leurs pores. 26 Fondements géologiques Toute roche est caractérisée par un facteur de formation qui est : F=a.Ø-m . la relation expérimentale d’Archie lie la résistivité de la roche, la porosité, la résistivité de l’électrolyte (le fluide de formation) et son mode de distribution dans les pores. Pour une roche saturée (en eau), on a : ρt = ρw .a. Ø-m ou ρt = F.ρw avec ρt : résistivité vraie de la roche ; ρw : résistivité de l’eau d’imbibition ; Ø : porosité ; m : facteur de cémentation (entre 1,3 et 2,2) a : facteur dépendant de la lithologie et varie entre 0,6 et 2. 27 Fondements géologiques 28 Fondements géologiques 29 Fondements géologiques 30 Fondements géologiques La résistivité varie en fonction de : La pression La température Du dégré d'imbibition de la roche en fluide De la concentration minéralogique 31 Notion de résistivité apparente En géophysique, on mesurera toujours une résistivité apparente car en géologie, il n’existe pas de milieu homogène et isotrope. Le milieu est hétérogéne, et la résistivité est mésurée en un point donné On étudiera donc les structures géologiques à travers leur résistivité apparente (ρa). 32 Les dispositifs électriques Un dispositif électrique est une disposition d’électrodes de courant et d’électrodes de potentielle les unes par rapport aux autres. Les sources de courant par convention sont nommées A et B (électrodes de courant), les points de mesure (électrodes de potentiel) sont nommés M et N. Il existe plusieurs types de dispositifs dont les plus connus sont : 33 Les dispositifs électriques Dispositif pôle-pôle Dispositif pôle-dipôle Dispositif dipôle-dipôle Dispositif quadripôle Dispositif Schlumberger ● Dispositif Wenner ● Dispositif Gradient-rectangle ● 34 Les dispositifs électriques Dispositif pôle-pôle Dispositif pôle-dipôle Dispositif dipôle-dipôle Dispositif quadripôle Dispositif Schlumberger ● Dispositif Wenner ● Dispositif Gradient-rectangle ● 35 Les dispositifs électriques CORRECTION EXERCICE 36 Notion de profondeur d’investigation AB/10 ≤ Peff ≤ AB/4 37 Introduction La méthode magnétique est l’une des méthodes géophysiques basée sur l’étude de la susceptibilité magnétique Kappa (χ) et l’étude de la variation du champ magnétique terrestre. Les roches et les structures géologiques du sous-sol possèdent des caractéristiques magnétiques qui ont une influence sur la mesure du champ magnétique. 39 Introduction Exploration pétrolière: Cette méthode est utilisée pour une étude pronostique sur l’existence d’hydrocarbure (études des bassins sédimentaire à partir des anomalies causées par des structures du socle, ou sa topographie, détection indirecte de pièges structuraux (plis, faille). En exploration minière pour la détection directe de structures ou roches basiques ou ultrabasiques (gisement d’amiante, de nickel), du gisement de fer (magnétite), de minéralisation généralement associée `a des structures (failles, plissements, intrusifs). Elle est beaucoup utilisée en cartographie. 40 Fondements physiques 1- Force magnétique Loi de Coulomb 2- Moment et potentiel du dipôle magnétique 41 POTENTIEL ET CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE 42 POTENTIEL ET CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE 43 POTENTIEL ET CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE 44 POTENTIEL ET CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE 45 POTENTIEL ET CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE Les Composantes du champ magnétique terrestre Le champ magnétique terrestre varie à la surface du globe. Mais il peut être localement représenté par le vecteur du champ total T. Il est également défini par l’une de ses composantes H et Z (figure 1). 46 POTENTIEL ET CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE Le champ magnétique observé en un point est une grandeur vectorielle composée de plusieurs autres champs: Tt = T0 + Tm + Ta + Te + δTt champ total observé en tout point de l’écorce terrestre Tt = Tn + Te + δTt Tn= Tr + Ta : Normale du champ magnétique terrestre ou champ normal Tr= T0 + Tm : Champ géomagnétique principal ou champ régional T0: Champ magnétique provoqué par la terre toute entière considérée comme Homogène Tm : Champ magnétique crée par l’hétérogénéité des structures profondes de la terre (noyau, manteau) Ta : Champ magnétique crée par l’hétérogénéité des structures de l’écorce terrestre Te : Champ magnétique provoqué par le milieu environnant du point d’observation (objet magnétisé) δTt : Variation du champ magnétique due au temps 47 POTENTIEL ET CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE Potentiel du champ magnétique terrestre: La première approche du champ magnétique terrestre nous permet de le considérer comme étant le champ magnétique d’une boule aimantée le long d’un axe ayant 11°5’ avec l’axe de rotation de la terre (figure2). 48 POTENTIEL ET CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE Potentiel du champ magnétique terrestre: On peut donc considérer le potentiel de la terre comme étant le potentiel d’un dipôle qui aura donc pour valeur : U = M cos 2 (θ)/R M : moment magnétique R : rayon de la terre θ= π/2 – λ T= (H2 + Z2)1/2 Avec H= M sin (θ)/R3 et Z= 2M cos (θ)/R3 T= M(1+3 cos2(θ))1/2/R3 49 POTENTIEL ET CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE Repère géocentrique: le plan équatorial en gris 50 POTENTIEL ET CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE Potentiel du champ magnétique terrestre: L’unité utilisée en prospection géophysique pour mesurer le champ total T ou F ou H est le gamma (Ɣ) ou le nanotesla (nT). 1 Ɣ = 1nT= 10-5 oested. En côte d’Ivoire le champ moyen se situe autour de 31 000 nT, en France elle est de 46 000 nT. 51 VARIATION DU CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE Les mesures magnétiques faites de façon permanente (24h/24h) dans des observatoires magnétiques ont montré que le champ magnétique terrestre varie dans l’espace et le temps. 1-Variation spatiale Le champ magnétique varie d’un point à un autre du globe du fait des hétérogénéités (répartition inégale des masses magnétiques) du sol et du sous-sol. Il varie en fonction de l’altitude, de sa valeur T au niveau 0 des mers, à une valeur de T/8 au niveau 7000 mètres. Le champ magnétique varie en fonction de la latitude de valeur minimale à l’équateur à une valeur double aux pôles. 52 VARIATION DU CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE 2-Variations temporelles Variation diurnes (quotidiennes) : ce sont des variations cycliques d’environ 24 heures liées aux variations de courant dans l’ionosphère, dues à l’activité du soleil. Tempêtes magnétiques (orages magnétiques) : variations brusques dues à des sursauts de l’activité solaire qui peuvent atteindre 2000 nT et durent souvent plusieurs jours. Cela s’accompagne en général de coupures téléphoniques, de radio, talki walki. Lors des tempêtes, le levé est suspendu. Ces variations sont dites rapides. Variations séculaires ou lentes: Les isolignes du champ magnétique terrestre ont tendance à se déplacer vers l’ouest. Chaque année, il se passe une rotation de 0,18°, soit le tour complet après 2000 ans. 53 CLASSIFICATION MAGNETIQUE DES MATERIAUX On définit le champ magnétique induit (Ti) tel que Ti= ϰ T T : champ primaire Kappa (ϰ ): la susceptibilité magnétique qui caractérise la possibilité du matériau à s’aimanter lorsqu’il est placé dans un champ magnétique. Le champ primaire provoque un champ induit et à travers la susceptibilité magnétique on peut diviser les matériaux en trois (03) groupes : 54 CLASSIFICATION MAGNETIQUE DES MATERIAUX 1-Les diamagnétiques Le champ magnétique induit dans les corps diamagnétiques est dirigé dans le sens contraire de celui du champ primaire, c’est-àdire que ϰ < 0. C’est le cas de l’azote, l’eau, le sel, 2-Les paramagnétiques Le champ magnétique induit a le même sens que celui du champ primaire c’est-à-dire que ϰ >0 (ordre de 10-4). C’est le cas des métaux, de l’oxygène,.. 3-Les ferromagnétiques Ils ont les mêmes propriétés que les paramagnétiques à la différence que ϰ >0 (ordre de 10-3). Lorsque le champ primaire est ôté, le ferromagnétique garde son champ induit. C’est le cas de la magnétite, de l’ilménite. 55 CHAPITRE III : LES METHODES SISMIQUES Introduction Ondes sismiques ● Definition et propriétés ● Types d'ondes sismiques Fondements physiques ● Principe de Huygens ● Principe de Fresnell ● Principe de Fermat ● Lois de Snell-Descartes Géométrie des rayons d'ondes sismiques ● Rayon d'onde directe ● Rayons d'onde réflechie ● Rayons d'ondes réfractée 56 INTRODUCTION Les méthodes d’exploration sismique consistent à provoquer des ébranlements dans le sous-sol et à observer en surface les ondes réfléchies sur les couches géologiques ou réfractées le long de certaines interfaces. ces ébranlements créent les ondes sismiques (ondes élastiques) qui, se propageant dans le sous-sol, donnent naissance à des phénomènes de réflexion et de transmission lorsqu’elles parviennent aux limites des couches géologiques. 57 INTRODUCTION De la source au récepteur Effets de Cable Bruits ambients Camion laboratoire (enregistrement) Point de tir Effects d’Arrays Fantome de surface? récepteurs Ondes de surface Ondes montantes Effets de Source Couche de faible vitesse Ondes descendantes Multiples courte période Multiples longue période Pertes d’Interface Divergence Sphérique (Atténuation) Absorption Coefficient de Réflexion Reynols 1998 58 INTRODUCTION Les ondes réfléchies remontent à la surface où elles seront enregistrées par des capteurs, c’est le principe de la sismique réflexion (rouge). les ondes transmises peuvent se propager horizontalement sur une certaine distance et remonter ensuite vers la surface ; c’est le principe de la sismique réfraction (jaune). 59 INTRODUCTION Les interfaces géologiques en sismique réflexion sont les surfaces de séparation des milieux d’impédance acoustique (I) différente I= ρV ou ρ=masse volumique de la roche et V= vitesse de propagation de l’onde sismique dans le milieu Les interfaces susceptibles d’être suivies en sismique réfraction sont celle où la vitesse de propagation dans le milieu sous-jacent est plus grande que dans le recouvrement. 60 INTRODUCTION Les différentes ondes sismiques propagées seront enregistrées en surface, traitées et interpréter. Ainsi, on pourra déduire la forme géométrique des milieux traversés ainsi que la vitesse de l’onde dans ces milieux. Finalement, on obtient des informations sur les structures géologiques traversées par les ondes. La sismique est utilisée dans la prospection d’eau souterraine dans les bassins sédimentaires, en génie civil pour la construction de ponts, barrage, etc. Elle est largement utilisée dans l’exploration pétrolière où elle occupe plus de 90% du budget de prospection. 61 ONDES SISMIQUES: Définition et propriétés Une onde sismique est une onde mécanique qui se propage dans le sous-sol à la suite d'un ébranlement ou séisme. L'onde peut traverser un milieu sans modifier durablement ce milieu (onde élastique): Il existe deux (02) familles d’ondes sismiques: ● Les ondes de volume et les ondes de surface 62 ONDES SISMIQUES: Définition et propriétés Ondes de volume (P et S) se propage à l'intérieur du globe. Leur vitesse de propagation dépend du matériau traversé, et d'une manière générale augmente avec la profondeur: • Ondes P ou ondes longitudinales ou ondes de compression ou ondes primaires : ces ondes plus rapides (~6 km/s prêt de la surface), sont enregistrées en premier sur un sismographe; le mouvement de vibration des particules se fait suivant un mouvement de compression et de dilatation parallèlement à l’axe de propagation. Les ondes P se propagent dans les solides et les liquides. • Ondes S ou ondes transversales ou ondes de torsion ou ondes secondaires : ces ondes plus lentes (~4,06 km/s prêt de la surface), sont enregistrées en second sur un sismographe; et le mouvement de vibration des particules se fait perpendiculairement à la direction de propagation. Les ondes S ne se propagent pas dans les liquides 63 ONDES SISMIQUES: Définition et propriétés Ondes de surface ou ondes guidée par la surface de la terre (L et R). Elles sont moins rapides que les ondes de volume. Leur amplitude est généralement forte, mais décroit rapidement avec la distance à la surface qui les guide. • Ondes de Love (L); son déplacement est comparable à celui des ondes S sans le mouvement vertical, se déplace suivant un plan horizontal perpendiculairement à sa direction de propagation • Ondes de Rayleigh (R) : le déplacement des particules est à la fois horizontal et vertical (trajectoire ellipsoïdale) 64 ONDES SISMIQUES Différentes ondes sismiques Ondes volumiques • Ondes de Compression “ onde P ” : propagation dans les solides et liquides. Aussi appelées : onde primaire, longitudinale, de pression, de dilatation. • Onde de cisaillement “ onde S ” : propagation dans les solides. polarisation en onde SV et SH. Aussi appelée : onde secondaire, transverse, de rotation, de distorsion, tangentielle. Ondes de surface • Ondes de Rayleigh et pseudo – Rayleigh • Onde de Love (onde guidée SH) Aussi appelées : onde d’interface, onde longue. 65 ONDES SISMIQUES ONDES SISMIQUES: VITESSES ONDE P et ONDE S FORMULE VITESSE V Elasticity Density La Vitesse de P depend des module de compression et de cisaillement VP E 2 La Vitesse de S depend uniquement du module de cisaillement VS 67 Vitesses des ondes P et S et les masses volumiques de divers types de terrains 68 ONDES SISMIQUES: Définition et propriétés L’onde sismique peut être caractérisée par: son amplitude (A), ● sa vitesse (V), ● sa fréquence (f) (ou période T) et ● sa longueur d’onde (ƛ). ● 69 ONDES SISMIQUES Propriétés et définitions des ondes sismiques Amplitude A A T Axe des Temps Amplitude du signal Vitesse V (en m/s) Direction de Propagation T Fréquence f (f en Hertz) ou Période T (en seconde) Avec T = 1 / f Longueur d’onde λ (en mètres) Avec V * T (ou V / f) Axe des Temps Axe des distances 70 II-FONDEMENTS PHYSIQUES DES METHODES SISMIQUES 1-PRINCIPE DE HUYGENS Connaissant la vitesse de propagation de l'onde dans un milieu donné ainsi que sa position, on peut retrouver sa position future en un instant t. Tout point d’un front d’onde doit être considéré comme une source secondaire. 71 II-FONDEMENTS PHYSIQUES DES METHODES SISMIQUES 2- PRINCIPE DE FRESNELL Si chaque point d'un frond d'onde peut être considéré comme une source secondaire (principe de Huygens) alors le front est une interférence d'ondes provenant de ces sources sécondaires. 72 II-FONDEMENTS PHYSIQUES DES METHODES SISMIQUES 3-PRINCIPE DE FERMAT Si en tout point de l’espace on connait la vitesse de l’onde sismique, on peut construire une série de ligne de même temps de vibration t0, t1, …, tn. Ces lignes sont des lignes isochrones. La ligne perpendiculaire à toutes ces isochrones est appelée rayon sismique. Le temps mis par l'onde pour parcourir une distance suivant son rayon est toujours minimal par rapport au temps suivant tout autre trajet. 73 II-FONDEMENTS PHYSIQUES DES METHODES SISMIQUES 2- PRINCIPE DE FERMAT 74 FRONT D’ONDE FRONT D’ONDE ?? FRONT D’ONDE FRONT D’ONDE Un modèle acoustic simple II-FONDEMENTS PHYSIQUES DES METHODES SISMIQUES 3- PRINCIPE DE FERMAT 80 II-FONDEMENTS PHYSIQUES DES METHODES SISMIQUES Géométrie de la propagation Onde Incidente Onde réfléchie i i V1 V2 r Principe de Huygens : • Tout point d’une interface frappée par un front d’onde devient source d’émission d’onde. • Dans un milieu homogène, isotrope et élastique, le front d’onde est une sphère. • La vitesse de propagation demeure constante le long de tous les rayons, qui sont rectilignes. 81 II-FONDEMENTS PHYSIQUES DES METHODES SISMIQUES LOIS DE SNELL-DESCARTES Onde Incidente Onde réfléchie i i V1 V2 r Première loi de Snell - Descartes : Rayon Incident, rayon réfléchi et rayon transmis sont dans le même plan 82 II-FONDEMENTS PHYSIQUES DES METHODES SISMIQUES LOI DE SNELL-DESCARTES Onde Incidente Onde réfléchie i i V1 V2 r Lois de Snell - Descartes : • Loi de Reflexion : • Loi de transmission : angle de réflexion = angle d’incidence Sin i = Sin r Sin i V1 ou V2 Sin r = V1 Sin n = V2 Vn i angle d’incidence = angle de réflexion dans milieu 1, r angle de transmission dans milieu 2 83 II-FONDEMENTS PHYSIQUES DES METHODES SISMIQUES LOI DE SNELL-DESCARTES i1 i1 iC V1 V1 V2 V2 r2 iC r2 = 900 (pour V2 > V1) Loi de réfraction Sin i1 Sin r2 = V1 V2 iC= Angle Critique V1 Sin iC = V2 84 III- GEOMETRIE DES RAYONS SISMIQUES ONDE DIRECTE ONDE REFLECHIE ONDE REFRACTEE 85 Hodochrones des ondes sismiques Multi-layered earth model 86 87 Representation of flat interface on record 1 2 3 4 Distance 1 Time 2 3 4 5 6 5 6 89 90 Trajectoire des ondes sismiques 0 Multi-layered earth model 91 Introduction Seismic traces gathers (to be processed) Seismic traces stacks (to be interpreted) Objectives 93 94