Experimental and numerical investigations of the coupled seismic and electromagnetic wave-fields propagation in saturated unconsolidated materials
Etudes expérimentales et numériques de la propagation d'ondes couplées sismiques et électromagnétiques dans des matériaux saturés non consolidés
Résumé
The first few hundred meters of the subsurface is the seat of important issues related to fluids which society still has to face, such as the detection and monitoring of water ressources and pollution as well as the role of fluids in various types of hazard assessment or in geotechnics. This depth scale is highly complex and heterogeneous in terms of lithology and fluid content. Among the available geophysical methods, seismo-electric (or electro-seismic) coupling phenomena have the potential to emerge as a new high-resolution imaging technique, naturally sensitive to fluid contrasts. Two seismo-electric signals have been predicted and sometimes observed: co-seismic electric signals (high amplitude) and weak electromagnetic (EM) disturbances generated at depth when seismic waves cross an interface. This second phenomenon is the most promising in terms of imaging due to its sensitivity to original contrasts compared to seismic reflection. The emergence of the seismo-electric method was however slowed down due to difficulties in recording these weak seismo-electric signals. Based on the combination of experimental and numerical approaches, this PhD thesis aims at addressing practical questions concerning the acquisition and processing of seismo-electric and electro-seismic data.In the first part, in order to increase the signal-to-noise (S/N) ratio of seismo-electric signals, we theoretically and experimentally study their sensitivity to various electrode arrangements. For this, we developed a filter theory designed to assess the influence of complex electrode arrays for seismo-electric signals acquisition. This theory was successfully confronted to experimental seismo-electric data acquired using various electrode arrangements (namely the spacing between the electrodes, the number of the electrodes and the apparent seismic velocity) and to full waveform numerical simulations. This combined analysis shows that electrode configuration properties strongly influence seismo-electric amplitudes and waveforms. In particular, this approach explains the difficulty in recording depth-generated seismo-electromagnetic waves converted at an interface, when the conventional dipole configuration is used as receivers. We then promote the use of a 3-electrode configuration in seismo-electric measurements, since: 1) it reduces ubiquitous man-made electric noise, and 2) its filtering properties do amplify the EM waves originating from interfaces at depth with respect to dominant coseismic events.In the second part, we focus on the reciprocal electro-osmotic phenomena, i.e. the generation of seismic signals by an electric source in poroelastic saturated media. We first performed numerical investigations to assess the nature and properties of the different seismic arrivals generated by an electrical source in a homogeneous and an heterogeneous material, at the field scale. Then we tried to acquire electro-seismic laboratory data in a homogeneous material, data that we again confronted with numerical full waveform computations. The results show that electro-seismic waves can be observed and that they are locally generated around the electric source. We finally show that these electro-seismic signals are influenced by the fluid conductivity.
Les premières centaines de mètres du sous-sol sont au coeur d'enjeux sociétaux importants liés aux fluides auxquels la société doit encore affronter, tels que la détéction et la surveillance des ressources en eau et de la pollution, ainsi que le rôle des fluides dans les différents types d'évaluation des risques ou en géotechnique. Cette gamme de profondeur est marquée par une forte complexité et une forte hétérogénéité aussi bien structurale et lithologique qu'en termes de mélanges de phases fluides. Parmi les méthodes géophysique disponibles, le phénomène de couplage sismo-électrique (et électro-sismique) a le potentiel d'émerger comme une nouvelle technique d'imagerie haute résolution, naturellement sensible aux contrastes des fluides. Deux signaux sismo-électrique ont été prédits et parfois observés: les signaux co-sismique éléctrique à forte amplitude et les faibles perturbations électromagnétiques générées en profondeur lorque des ondes sismiques traversent une interface. Ce deuxième phénomène est le plus prometteur, en termes d'imagerie en raison de sa sensibilité aux contrastes originaux par rapport à la réflexion sismique. L'émergence d'une méthode sismo-électrique a cependant été ralentie en raison des difficultés dans l'enregistrement de ces faibles signaux sismo-électrique. Cette thèse, basée sur la combinaison d'approches expérimentales et numériques, vise à aborder des questions pratiques concernant l'acquisition et le traitement de données sismo-électrique et électro-sismique.Dans la première partie, afin d'augmenter le rapport signal-sur-bruit (S/N) des signaux sismo-électriques, nous étudions théoriquement et expérimentalement leur sensibilité à différents arrangements d'électrodes. Pour cela, nous avons développé une théorie des filtres conçue pour évaluer l'influence d'ensemble d'électrodes pour l'acquisition des signaux sismo-électriques. Cette théorie a été confrontée avec succès à des données expérimentales sismo-électriques acquises en utilisant diverses dispositions d'électrodes (c'est-à-dire l'espacement entre les électrodes, le nombre des électrodes et la vitesse sismique apparente) et à des simulations numériques des formes d'onde complète. En particulier, cette approche explique la difficulté d'enregistrement des ondes converties sismo-électromagnétique générées en profondeur converties à une interface, lorsque la configuration dipôle classique est utilisé comme récepteur. Nous encourageons ensuite l'utilisation d'une configuration de multi-électrodes dans des mesures sismo-électriques, puisque: 1) il réduit le bruit électrique omniprésent causé par l'homme, et 2) ses propriétés de filtrage amplifient les ondes électromagnétiques provenant des interfaces en profondeur par rapport aux événements co-sismiques dominants.Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les phénomènes réciproques électro-osmotique, c'est-à-dire la génération de signaux sismiques par une source électrique dans des milieux saturés poroélastiques. Nous avons d'abord effectué des études numériques pour évaluer la nature et les propriétés des différentes arrivées sismiques générées par une source électrique dans un matériau homogène et hétérogène, à l'échelle du terrain. Ensuite, nous avons essayé d'acquérir des données de laboratoire électro-sismique dans un matériau homogène, données que nous avons de nouveau confrontées à des calculs numériques de forme d'onde complète. Les résultats montrent que les ondes électro-sismiques peuvent être observées et qu'elles sont générées localement autour de la source électrique. Nous montrons enfin que ces signaux électro-sismiques sont influencés par la conductivité des fluides.
Origine : Version validée par le jury (STAR)