Source sismique - Seismic source

Une source sismique canon à air (30 litres)

Une source sismique est un dispositif qui génère une énergie sismique contrôlée utilisée pour effectuer des levés sismiques de réflexion et de réfraction . Une source sismique peut être simple, comme la dynamite , ou elle peut utiliser une technologie plus sophistiquée, comme un canon à air spécialisé. Les sources sismiques peuvent fournir des impulsions uniques ou des balayages continus d'énergie, générant des ondes sismiques , qui se déplacent à travers un milieu tel que l' eau ou des couches de roches . Certaines ondes se réfléchissent et se réfractent ensuite et sont enregistrées par des récepteurs, tels que des géophones ou des hydrophones .

Les sources sismiques peuvent être utilisées pour étudier la structure du sous-sol peu profond , pour la caractérisation d'un site d'ingénierie ou pour étudier des structures plus profondes, soit à la recherche de gisements de pétrole et de minéraux, soit pour cartographier les failles souterraines ou pour d'autres investigations scientifiques. Les signaux de retour des sources sont détectés par des capteurs sismiques ( géophones ou hydrophones ) dans des emplacements connus par rapport à la position de la source. Les signaux enregistrés sont ensuite soumis à un traitement et à une interprétation spécialisés pour fournir des informations compréhensibles sur le sous-sol.

Modèle source

Un signal de source sismique a les caractéristiques suivantes :

1. Génère un signal d' impulsion
2. Bande limitée
3. Les ondes générées varient dans le temps

L'équation généralisée qui montre toutes les propriétés ci-dessus est :

${\displaystyle s(t)=\beta e^{-\alpha t^{2}}\sin(2\pi f_{max}t)}$

où est la composante de fréquence maximale de la forme d'onde générée. ${\style d'affichage f_{max}}$

Types de sources

Marteau

La source sismique la plus élémentaire est un marteau , qui frappe directement le sol ou, plus communément, frappe une plaque métallique au sol, appelée marteau et plaque. Utile pour les levés de sismique réfraction jusqu'à environ 20 m sous la surface.

Explosifs

Les explosifs les plus largement utilisés comme sources sismiques sont connus sous le nom de dynamites de gélatine . Ces dynamites sont classées en trois sous-catégories, les gélatines droites dans lesquelles la nitroglycérine , également connue sous le nom de trinitrate de glycéryle avec la formule chimique C3H5(ONO2)3 est le composant actif, les gélatines d'ammoniac dans lesquelles le nitrite d'ammoniac avec la formule chimique NH₄NO₃ comme composant actif, et semi les gélatines dont la composition est majoritairement constituée de nitroglycérine.

Lors de la détonation, les explosifs libèrent très rapidement de grands volumes de gaz en expansion, forçant une grande pression dans l'environnement sous la forme d'ondes sismiques.

L'utilisation d'explosifs comme sources sismiques est pratiquée depuis des décennies en raison de la fiabilité et de l'efficacité énergétique qu'ils offrent. De telles sources sont le plus souvent utilisées sur les terres et les milieux marécageux en raison de la forte épaisseur des sédiments. Les tailles de charge typiques utilisées sur le terrain pour les levés par réflexion sont de 0,25 kg à 100 kg pour les sources à trou unique, de 0,25 kg à 250 kg ou plus pour les sources à trous multiples, et peuvent atteindre 2500 kg ou plus pour les levés par réfraction.

Bien que les dynamites et autres explosifs soient des sources sismiques efficaces en raison de leurs coûts réduits, de leur facilité de transport sur des terrains difficiles et du manque d'entretien régulier par rapport à d'autres sources, l'utilisation d'explosifs se restreint dans certaines zones, provoquant un déclin et une popularité croissante des alternatives sources sismiques.

Par exemple, hexanitrostilbène était le principal remplissage explosif dans les Thumper rondes de mortier boîtes métalliques utilisés dans le cadre des Apollo Lunar actifs Expériences sismiques . Généralement, les charges explosives sont placées entre 6 et 76 mètres (20 et 250 pieds) sous terre, dans un trou qui est foré avec des équipements de forage dédiés à cet effet. Ce type de forage sismique est souvent appelé "Shot Hole Drilling". Une foreuse couramment utilisée pour le "Shot Hole Drilling" est la foreuse ARDCO C-1000 montée sur un buggy ARDCO K 4X4. Ces appareils de forage utilisent souvent de l'eau ou de l'air pour aider au forage.

Pistolet à air

Chaînes de canons à air Litton LP utilisées dans l'acquisition sismique marine

Sismologue avec une batterie de canons à air de 18 litres sécurisée pour le transport à bord du R/V Sikuliaq.

Un canon à air est utilisé pour les études marines de réflexion et de réfraction. Il se compose d'une ou plusieurs chambres pneumatiques qui sont pressurisées avec de l'air comprimé à des pressions de 14 à 21 MPa (2000 à 3000 lbf/in ² ). Les canons à air sont immergés sous la surface de l'eau et remorqués derrière un navire sismique. Lorsqu'un pistolet à air est tiré, un solénoïde est déclenché qui libère de l'air à haute pression d'une chambre à l'arrière d'une navette qui est normalement maintenue en équilibre entre les deux chambres également pressurisées. L'abaissement instantané de la pression d'air dans la première chambre permet à la navette de se déplacer rapidement dans la première chambre, libérant un réservoir d'air à haute pression qui se trouve derrière la navette dans la deuxième chambre par des orifices directement dans la mer produisant une impulsion d' énergie acoustique . Les réseaux de canons à air peuvent comprendre jusqu'à 48 canons à air individuels avec des chambres de tailles différentes ou certains volumes de canons à air peuvent être regroupés. Le tir de tout le réseau est contrôlé par le contrôleur du pistolet et est généralement effectué avec une tolérance de ± 1 ou 2 millisecondes, le but étant de créer l'onde de choc initiale optimale suivie de la réverbération minimale de la ou des bulles d'air. Étant donné que la navette est magnétisée, le mouvement rapide dans la première chambre lors du relâchement de la valeur du solénoïde fournit un petit courant qui est en fait un signal de synchronisation pour le pistolet de mise à feu qui est renvoyé au contrôleur du pistolet. Un hydrophone en champ proche situé à une distance mesurée connue de l'orifice du pistolet peut également être utilisé pour chronométrer le premier signal de coupure dans l'hydrophone pour une vérification précise de la synchronisation du pistolet.

L'entretien des pistolets à air comprimé est important car les pistolets peuvent avoir des ratés ; le pire des cas étant un tir automatique où le pistolet tire en fait à plusieurs reprises de manière désynchronisée en raison d'un défaut du pistolet lui-même, tel qu'une électrovanne endommagée ou un joint torique du pistolet qui fuit. Un seul pistolet à tir automatique peut entraîner la corruption de la signature de la bulle de la matrice totale et, s'il n'est pas détecté, peut entraîner le redémarrage de nombreuses lignes sismiques pour un seul pistolet à tir automatique lorsque le défaut est détecté lors du traitement initial des données.

Pendant la manipulation normale pour le déploiement et la récupération, les canons à air ne doivent jamais être complètement pressurisés à leur pression de travail optimale sur le pont et il est de pratique normale d'aérer les canons à 500 psi pour empêcher la pénétration d'eau lors du déploiement et de la récupération. C'est aussi une pratique médiocre et dangereuse de tester des armes à feu sur le pont dans l'air sous pression. Il doit également y avoir un système d'isolement en place pour empêcher les tirs accidentels de canons sur le pont par des observateurs ou des navigateurs par erreur. Les dégagements d'air à haute pression sur le pont peuvent amputer les doigts et également entraîner une blessure par injection à haute pression à travers la peau, une blessure presque incurable et mortelle dans un environnement sismique. Les artilleurs doivent porter l' équipement de protection individuelle requis pour protéger leurs yeux et leur audition et minimiser l'exposition de la peau non couverte.

Les pistolets à air comprimé sont fabriqués à partir des plus hautes qualités d'acier inoxydable résistant à la corrosion. Les grandes chambres (c'est-à-dire plus de 1 L ou 70 pouces cubes) ont tendance à donner des signaux à basse fréquence, et les petites chambres (moins de 1 L) donnent des signaux à plus haute fréquence.

Source sonore plasma

Source sonore plasma tirée dans une petite piscine

Une source sonore à plasma (PSS), autrement appelée source sonore à éclateur , ou simplement un étincelle , est un moyen de produire une impulsion sonar à très basse fréquence sous l'eau. Pour chaque tir, la charge électrique est stockée dans une grande banque de condensateurs à haute tension , puis libérée dans un arc à travers des électrodes dans l'eau. La décharge d'étincelle sous-marine produit un plasma à haute pression et une bulle de vapeur, qui se dilate et s'effondre , produisant un son fort. La plupart du son produit se situe entre 20 et 200 Hz, utile pour les applications sismiques et sonar .

Il est également prévu d'utiliser le PSS comme arme non létale contre les plongeurs submergés .

Camion Panpan

Thumper Trucks, Noble Energy , dans le nord du Nevada 2012.

En 1953, la technique du thumper à chute de poids a été introduite comme alternative aux sources de dynamite.

Vibroseis

Vibroseis 2

Lire les médias

Vibrateur sismique pendant le fonctionnement

Un camion thumper (ou poids-lourd) est un système d'impact au sol monté sur véhicule qui peut être utilisé pour fournir une source sismique. Un poids lourd est soulevé par un palan à l'arrière du camion et lâché, généralement d'environ trois mètres, pour heurter (ou « cogner ») le sol. Pour augmenter le signal, le poids peut être lâché plus d'une fois au même endroit, le signal peut également être augmenté en tapant à plusieurs endroits proches dans un réseau dont les dimensions peuvent être choisies pour améliorer le signal sismique par filtrage spatial.

Les thumpers plus avancés utilisent une technologie appelée « chute de poids accélérée » (AWD), où un gaz à haute pression (min 7 MPa (1000 lbf/in ² )) est utilisé pour accélérer un marteau lourd (5 000 kg (11 000 lb)) pour frapper une plaque de base couplée au sol à une distance de 2 à 3 mètres (6 pieds 7 pouces à 9 pieds 10 pouces). Plusieurs coups sont empilés pour améliorer le rapport signal sur bruit. L'AWD permet à la fois plus d'énergie et plus de contrôle de la source que la chute de poids gravitationnelle, offrant une meilleure pénétration en profondeur, un contrôle du contenu de fréquence du signal.

Le martèlement peut être moins dommageable pour l'environnement que le tir d'explosifs dans des trous de tir, bien qu'une ligne sismique fortement martelée avec des crêtes transversales tous les quelques mètres puisse créer une perturbation durable du sol. Un avantage du thumper (partagé plus tard avec Vibroseis), en particulier dans les zones politiquement instables, est qu'aucun explosif n'est nécessaire.

Source d'énergie d'impulsion électromagnétique (non explosive)

Sources EMP basées sur les principes électrodynamiques et électromagnétiques.

Vibrateur sismique

Un vibrateur sismique propage des signaux d'énergie dans la Terre sur une période de temps prolongée par opposition à l'énergie quasi instantanée fournie par des sources impulsives. Les données enregistrées de cette manière doivent être corrélées pour convertir le signal source étendu en une impulsion. Le signal source utilisant cette méthode a été généré à l'origine par un vibrateur ou un agitateur hydraulique asservi monté sur une unité de base mobile, mais des versions électromécaniques ont également été développées.

La technique d'exploration "Vibroseis" a été développée par la Continental Oil Company (Conoco) dans les années 1950 et était une marque déposée jusqu'à l' expiration du brevet de la société .

Sources des baby-boomers

Les sources sonores des boomers sont utilisées pour les levés sismiques en eaux peu profondes, principalement pour des applications de levés techniques. Les baby-boomers sont remorqués dans un traîneau flottant derrière un navire d'enquête. Semblable à la source de plasma, une source boomer stocke de l'énergie dans des condensateurs, mais elle se décharge à travers une bobine en spirale plate au lieu de générer une étincelle. Une plaque de cuivre adjacente à la bobine s'éloigne de la bobine lorsque les condensateurs sont déchargés. Cette flexion est transmise à l'eau sous forme d'impulsion sismique.

À l'origine, les condensateurs de stockage étaient placés dans un conteneur en acier (la bang box ) sur le navire de recherche. Les hautes tensions utilisées, généralement 3 000 V, nécessitaient des câbles lourds et des conteneurs de sécurité solides. Récemment, des boomers basse tension sont devenus disponibles. Ceux-ci utilisent des condensateurs sur le traîneau remorqué, permettant une récupération d'énergie efficace, des alimentations à basse tension et des câbles plus légers. Les systèmes basse tension sont généralement plus faciles à déployer et présentent moins de problèmes de sécurité.

Sources de bruit

Les techniques de traitement basées sur la corrélation permettent également aux sismologues d'imager l'intérieur de la Terre à plusieurs échelles en utilisant le bruit de fond naturel (par exemple, le microséisme océanique) ou artificiel (par exemple, urbain) comme source sismique. Par exemple, dans des conditions idéales d'éclairement sismique uniforme, la corrélation des signaux de bruit entre deux sismographes fournit une estimation de la réponse impulsionnelle sismique bidirectionnelle .

Voir également

• Sismologie par réflexion
• Réfraction sismique

Les références

Bibliographie

• Crawford, JM, Doty, WEN et Lee, MR, 1960, Sismographe à signal continu : Géophysique, Society of Exploration Geophysicists, 25, 95-105.
• Robert E. Sheriff, Dictionnaire encyclopédique de géophysique appliquée (Références géophysiques n° 13) 4e édition, 2002, 429 pag. ISBN  978-1560801184 .
• Snieder, Roel (2004-04-29). « Extraire la fonction de Green de la corrélation des ondes de coda : une dérivation basée sur la phase stationnaire ». Examen physique E . Société américaine de physique (APS). 69 (4): 046610. bibcode : 2004PhRvE..69d6610S . doi : 10.1103/physreve.69.046610 . ISSN  1539-3755 .
• Modélisation et inversion de la propagation des ondes sismiques, Phil Bording [1]
• La dérivation de l'équation des ondes sismiques peut être trouvée ici. [2]

Liens externes

• Photos de camions Panpan en action
• Sentiers palpitants du refuge arctique
• Sentiers de choc de l'Utah
• Étude de neutralisation des nageurs non mortels par l'Université du Texas, mai 2002, page 42
• Vibroseis, Omnilaw International, une société du Texas
• Illustration de Vibroseis en acquisition sismique terrestre 3D