Development of a time-lapse approach of seismic methods for hydrogeophysics and the understanding of hydrosystem dynamics
Développement d'une approche « time-lapse » des méthodes sismiques pour l'hydrogéophysique et la compréhension de la dynamique des hydrosystèmes
Résumé
The characterization and understanding of hydrosystems is part of the "Critical Zone" (CZ) study. They consist in an important issue for the management and protection of surface water and groundwater resources. Geophysics and hydrogeophysics are among the tools for studying this fraction of the CZ and its processes. The near-surface seismic methods are suggested for the imaging of the CZ in order to describe its geometry and the nature of its compartments. Since seismic methods are based on the mechanical properties of the medium, the measured signal is also influenced by the water content: its analysis therefore makes it possible to describe its spatial variation. The time-lapse application of this approach is proposed here in order to follow the temporal variations in the water content of the hydrosystems. A processing workflow based on a statistical study is developed to ensure the significance of the temporal variations in the data with respect to measurement errors. It is shown that when the time-lapse variations are greater than the estimated errors, they reflect the hydrological behaviors of the structures identified and provide new information on their dynamics. Quantifying these results by inverting the seismic data recorded at each time step is however not obvious, even in the knowledge of measurement errors, in particular due to a lack of prior information. In these cases, the posterior uncertainties may be too high to compare the temporal variations of the inverted parameters. However, when the study area is particularly constrained, a thorough inversion at each time step of the data estimated as significant by our approach is possible. In this case, we suggest a method of interpolation of the depth of the saturated zone in the vicinity of known water table levels, from the seismic images. This information can then be used to constrain the hydrodynamic modeling by proposing: (i) a "high resolution" definition of the geometry of the hydrogeological compartments and their facies and (ii) new boundary and initial conditions.
La caractérisation et la compréhension des hydrosystèmes font partie intégrante de l’étude de la « Zone Critique » (ZC). Elles représentent un enjeu important pour la gestion et la protection des ressources en eaux de surface et en eaux souterraines. La géophysique et l’hydrogéophysique font partie des outils d’étude de cette fraction de la ZC et des processus qu’elle referme. Les méthodes sismiques de subsurface sont proposées afin de l’imager pour en définir la géométrie et la nature de ses compartiments. Comme la sismique repose sur les paramètres mécaniques du milieu, le signal mesuré est également influencé par la teneur en eau : son analyse permet donc d’en décrire la variation spatiale. L’application « time-lapse » de cette approche est proposée ici afin de suivre les variations temporelles de contenu en eau des hydrosystèmes étudiés. Une chaîne de traitements basée sur une étude statistique est développée afin de s’assurer de la significativité des variations temporelles des données par rapport aux erreurs de mesures. On démontre que lorsque les variations « time-lapse » sont supérieures aux erreurs estimées, elles reflètent les comportements hydrologiques des structures identifiées et apportent de nouvelles informations sur leur dynamique. Quantifier ces résultats par inversion des données sismiques acquises à chaque pas de temps n’est cependant pas évident, même en connaissance des erreurs de mesures, notamment par manque d’information a priori. Dans ces cas, les incertitudes a posteriori peuvent s’avérer trop élevées pour pouvoir comparer les variations temporelles des paramètres inversés. Toutefois, lorsque la zone d’étude est particulièrement bien contrainte, une inversion méticuleuse à chaque pas de temps des données estimées comme significatives par notre approche, est possible. Dans ce cas, on propose une méthode d’interpolation de la profondeur de la zone saturée au voisinage de niveaux piézométriques connus, à partir des images sismiques. Ces informations peuvent ensuite être utilisées afin de contraindre la modélisation hydrodynamique en proposant : (i) une définition « haute résolution » de la géométrie des compartiments hydrogéologiques et de leur faciès et (ii) de nouvelles conditions aux bords et initiales.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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