Détection de cavités souterraines - DCOS


Généralités


Lors des travaux de génie civil, la présence d’anomalies souterraines (vide, karsts, désordres géologiques, constitue un risque important :

Dans tous les cas, la présence de cavité représente, à plus ou moins long terme, un risque de fontis. La détection de ces vides est alors nécessaire et ceci avant ou après la réalisation des travaux.

La détection de ces anomalies géologiques est désormais possible au moyen d’une nouvelle analyse basée sur la mesure des ondes de surface (Onde de Rayleigh) et de l’étude de leurs propriétés. Cette approche qui est aujourd’hui brevetée et utilisée a été développée par SismOcean.

Les ondes de surface sont des ondes guidées qui se propagent dans le sol sur une épaisseur voisine de leur longueur d’onde (λ). Lorsque le site est constitué de différentes couches géologiques ces ondes deviennent dispersives.

Cette dispersion signifie que la vitesse de propagation est dépendante de la fréquence c’est à dire de la profondeur. Les longueurs d’onde ont en effet des profondeurs de pénétration différentes (basse fréquence : grande pénétration, haute fréquence : petite pénétration). L’analyse dévéloppée par SismOcean utilise les caractéristiques de cette dispersion pour localiser les anomalies géologiques.

Analyse par DCOS

La méthode DCOS est basée sur une analyse statistique de la distribution d’énergie des ondes de surface et n’utilise pas de modèle numérique. Il n’y a donc pas d’aprioris concernant la géologie locale.

Le bruit sismique ambiant (micro-tremor) naturel ou produit par l’activité humaine (route, industrie…) est utilisé pour détecter les anomalies souterraines. Un logiciel de Control Qualité des données mesurées a été développé afin de visualiser la distribution d’énergie des ondes de surface contenues dans le micro-tremor.

Une chaîne de récepteurs composée de 96 géophones régulièrement espacés est déployée pour les mesures. Le traitement DCOS est appliqué sur des panneaux de 24 ou 48 capteurs à l’aide d’une fenêtre glissante permettant d’extraire chaque groupe de géophones (panneaux).

  • Extraction de panneaux à l’aide d’une fenêtre glissante


La distribution d’énergie est calculée dans chacune des directions du panneau extrait : directe (de 1 à 24) et inverse. Cette distribution est analysée de manière statistique en utilisant la moitié des géophones du panneau extrait.

Lorsqu’il n’y a pas d’anomalies géologiques, l’énergie mesurée par les deux parties de l’antenne est similaire. En revanche la présence d’une inhomogénéité modifiera cette distribution d’énergie.

  • Distribution d’énergie modifiée parune anomalie souterraine


La longueur de la fenêtre d’analyse est adaptée en fonction de la profondeur de pénétration requise :
  • 24 capteurs - faible pénétration (jusqu’à 11-12 m),
  • 48 capteurs - grande pénétration (jusqu’à 23-24 m).

Pour un dispositif composé de 96 capteurs, l’extraction par panneaux donne :
  • 73 analyses DCOS utilisant 24 capteurs,
  • 49 analyses DCOS utilisant 48 capteurs.

La distance entre chacune des analyses DCOS correspond à la distance séparant les géophones.


Caractéristiques

  • Détection et localisation de différents types d’anomalies souterraines : cavités naturelles, karsts, galeries, zone décomprimée, accidents géologiques…
  • Les cavités peuvent être vides, remplies partiellement ou totalement d’eau ou de sédiments.
  • Une analyse DCOS est réalisée pour chacun des panneaux extraits.
  • L’analyse DCOS est peu coûteuse en temps et est réalisée sans modèle numérique (pas d’aprioris sur la géologie locale).
  • Le bruit sismique naturel ou anthropique est mesuré pour réaliser l’analyse. Ceci permet de travailler en milieu urbain ou industriel.
  • Dans certaines configurations, le bruit sismique généré par un véhicule roulant le long des capteurs peut être utilisé.


Équipements

  • Équipement terrestre.
  • « Flûte » muti-cateurs composées de 96 géophones (ou plus) régulièrement espacés (1, 2, 2.5, 3 m, …).
  • Source sismique : sismique passive (micro-tremor).
  • Enregistreur sismique (4 GEODES Geometrics).
  • Logiciel de Contrôle Qualité des données pour l’acquisition.
  • Ordinateur de terrain durcit.


  • Enregistreur et PC

  • Géophones


Analyses

Le logiciel d’analyse DCOS fonctionne sur PC.


Applications

Étude pour des sites de construction :
  • Qualification de site avant travaux.
  • Détection de karsts.
  • Détection de cavités artificielles : anciennes mines, carrières, galeries, réservoir, conduits …
  • Zone de terrain décomprimée localement.
  • Cartographie des anomalies souterraines.

Étude de digues en terre :
  • Qualification de l’état des digues,
  • Localisation d’anomalies ponctuelle ou étendue (vides, cavités, parties remaniées, zones décomprimée …)

Étude de linéaires :
  • Évaluation des routes, voies ferrées, tunnel, et futurs tracés.
  • Localisation des anomalies présentes sous les aménagements déjà réalisés ou en cours de l’être.


Interprétation par MASW et par DCOS

À partir des mêmes données enregistrées une interprétation classique de type MASW, donnant accès à la vitesse de cisaillement du milieu, peut être réalisées (voir rubrique de SismOcean sur les Ondes de Surface Terrestre).

La combinaison des deux études MASW et DCOS permet d’identifier certaines des anomalies DCOS trouvées : zones décomprimées, variations locales de la géologie (rupture de tabularités, remontée du substrat…).


Résultat de l’analyse DCOS


Faible profondeur d’investigation : galeries souterraines artificielle

  • La profondeur est exprimée en longueur d’onde
    (profondeur estimée ≈1/2 de la longueur d’onde)


Faible et grande profondeur d’investigation : Corrélation géotechnique

  • Géophones


Résultats en 2D, coupes à profondeur constante


L’analyse DCOS :
  • est réalisée pour chacun des panneaux extraits (73 pour une investigation de faible profondeur et 49 pour une investigation profonde),
  • est espacée de la distance séparant les géophones (une analyse tous les deux mètres par exemple). Cette forte densité de mesures permet une analyse fine de l’étude.
  • peu coûteuse en temps et ne nécessite pas de modèle numérique

L’analyse DCOS est bien adaptée pour la détection et la localisation des anomalies souterraines telles que : les cavités naturelles ou construites par l’homme, les zones décomprimées, les variations locales de la géologie…

Cette analyse peut être menée sur tous les sites de surface dégagée.

Dans un environnement bruité (site industriel ou urbain) cette méthode présente l’intérêt d’utiliser le bruit sismique ambiant avec une pénétration moyenne maximale de 20 m environ.

A ce jour, plus de 40 km d’études ont été menées avec la méthode DCOS (voies ferrées, autoroutes, karst, marnières, site urbain).