Sismologie et matériaux élastiques

La sismique est une méthode géophysique qui étudie les variations de la vitesse sismique dans le sous-sol. Ces variations sont liées à la dureté, la consolidation et la saturation du sol. Cette méthode est utilisée pour distinguer les roches compactes des terrains meubles, les roches altérées des roches saines, les zones fracturées, les niveaux de nappes phréatiques et les amas métallifères.

La sismique est la méthode géophysique la plus importante en termes d'argent dépensé et de personnel employé. Elle est utilisée dans la recherche pétrolière et la géologie de l'ingénieur.

La sismique est l'étude de la propagation des ondes sismiques artificielles. La vitesse de ces ondes dans le sous-sol est le paramètre principal d'intérêt. Chaque type de roche a une vitesse sismique spécifique.

La propagation des ondes sismiques dépend des propriétés élastiques des roches. La théorie de l'élasticité est une théorie mathématique qui décrit le comportement des solides soumis à des tensions.

Un corps idéal est considéré comme élastique s'il reprend sa forme initiale après l'arrêt des forces qui le déforment. Les roches peuvent être considérées comme élastiques lorsque les déformations sont faibles. Cette théorie s'applique bien à la propagation des ondes sismiques, à condition de ne pas être trop près de la source.

La vitesse sismique, ou vitesse de propagation des ondes sismiques, est un indicateur important pour identifier les différentes couches géologiques. Chaque type de roche possède une vitesse sismique propre.

La sismique réfraction est une technique utilisée pour déterminer la structure du sous-sol en mesurant les temps d'arrivée des ondes sismiques réfractées à la surface. Ces ondes se propagent le long des interfaces entre les couches géologiques.

La sismique réflexion est utilisée pour imager le sous-sol en mesurant les temps d'arrivée des ondes sismiques réfléchies à la surface. Ces ondes se propagent à travers le sous-sol et sont réfléchies par les interfaces entre les couches géologiques.

Une force de traction appliquée à un matériau élastique provoque un allongement proportionnel à sa longueur initiale. Le module de Young représente le rapport entre la contrainte de traction et la déformation.

Lorsqu'un matériau est soumis à une force de traction, il s'allonge et se rétrécit dans les directions perpendiculaires à la force. Le coefficient de Poisson est le rapport entre la déformation transversale et la déformation longitudinale.

Le module d'incompressibilité mesure la résistance d'un matériau à un changement de volume lorsqu'il est soumis à une pression. Plus le module est élevé, plus le matériau est difficile à comprimer.

Le module de torsion, ou module de cisaillement, mesure la résistance d'un matériau à la déformation lorsqu'il est soumis à un effort tangentiel. Il représente la rigidité du matériau.

Les ondes P sont des ondes longitudinales qui se propagent par compression et dilatation. Elles sont les plus rapides et arrivent en premier lors d'un séisme.

Les ondes S également appelées ondes secondaires sont des ondes transverses qui se propagent par cisaillement. Elles arrivent après les ondes P.

L'élasticité d'un matériau est sa capacité à retrouver sa forme originale après avoir été déformé. Elle est définie par des paramètres tels que le module de Young, le coefficient de Poisson et le module d'incompressibilité.

La vitesse des ondes sismiques dépend des propriétés du milieu de propagation. Plus le milieu est dense et rigide, plus la vitesse des ondes est élevée.

Le mouvement des particules dans les ondes S est perpendiculaire à la direction de propagation.

Les ondes S ne se propagent pas dans les liquides car ils n'ont pas de module de cisaillement.

Les ondes de Rayleigh sont des ondes de surface qui se propagent dans un milieu homogène et isotrope.

Les ondes de Love sont des ondes S polarisées horizontalement, se propageant dans un milieu hétérogène ou anisotrope.

Les ondes de Stoneley, ou ondes de tube, se propagent dans les trous de forage et sont observées en sismique de puits.

La vitesse sismique est un paramètre important qui caractérise les différentes roches.

La sismique réfraction est une méthode utilisée pour déterminer la structure du sous-sol en mesurant les temps d'arrivée des ondes sismiques réfractées.

La sismique réflexion est une méthode utilisée pour imager le sous-sol en mesurant les temps d'arrivée des ondes sismiques réfléchies.

L'impédance acoustique d'un milieu est le produit de sa densité par la vitesse des ondes sismiques qui le traversent. Elle représente la résistance qu'un milieu oppose à la propagation des ondes.

En sismique réflexion, les variations d'impédance acoustique entre les couches géologiques provoquent des réflexions des ondes. Plus le contraste d'impédance est important, plus la réflexion est forte.

En sismique réfraction, la vitesse des ondes sismiques est le facteur déterminant pour la propagation des ondes. Les variations de vitesse entre les couches géologiques provoquent des réfractions des ondes.

La porosité d'une roche est la proportion de vide contenue dans son volume. Plus une roche est poreuse, moins elle est dense, et moins elle transmet les ondes sismiques.

Pour une même porosité, une roche saturée d'eau transmet les ondes sismiques plus rapidement qu'une roche sèche.

La loi de Wyllie est une formule qui permet d'estimer la porosité d'une roche à partir de sa vitesse sismique et de la vitesse du fluide qui la sature.

La présence d'argile dans une roche diminue sa vitesse sismique. Plus la teneur en argile est élevée, plus la vitesse est faible.

La vitesse sismique augmente généralement avec la profondeur et l'âge des formations géologiques. Cela est dû à la compaction des roches et à la diminution de leur porosité avec le temps.

La vitesse de l'onde S peut être estimée à partir de la vitesse des ondes de Stoneley, de la densité de la formation et de la densité du fluide (eau) par la formule : Vs = Vst * (√(ρ/ρf)) où Vs est la vitesse de l'onde S, Vst est la vitesse de l'onde de Stoneley, ρ est la densité de la formation et ρf est la densité du fluide.

Les roches compactes, non fracturées et non altérées, comme les granites, les gneiss, les dolomites et les calcaires massifs, ont des vitesses P comprises entre 4000 et 6000 m/s.

Les mêmes roches compactes, mais fracturées, ont des vitesses P comprises entre 3000 et 4000 m/s. La porosité totale est de 3 à 10% et l'altération est faible voire inexistante.

Les roches poreuses comme les calcaires, les craies et les grès présentent des vitesses P entre 2500 et 4000 m/s. Ces roches ont une porosité supérieure à 5% sans fracturation ni altération.

Les mêmes roches poreuses, mais fracturées, ont des vitesses P comprises entre 2000 et 3500 m/s. La porosité est supérieure à 8% et l'altération est faible voire inexistante.

Les roches altérées ont des vitesses P très variables en fonction du degré d'altération, mais toujours inférieures aux vitesses des roches saines.

Les formations meubles, non consolidées ou déconsolidées par altération, telles que les graviers, sables, silts, tuf et moraines, ont des vitesses P comprises entre 300 et 2500 m/s. Les formations aérées ont des vitesses plus faibles que celles saturées en eau.