La prospection sismique du sous-sol

Ondes élastiques et propagation

La prospection sismique repose sur la propagation d'ondes élastiques créées artificiellement à la surface ou dans un forage. Ces ondes se divisent en ondes de compression, dites ondes P, qui déplacent les particules dans le sens de leur propagation, et en ondes de cisaillement, dites ondes S, dont le mouvement est perpendiculaire au trajet. La vitesse de chacune dépend de la densité de la roche et de ses modules d'élasticité, ce qui explique qu'un calcaire compact transmette les ondes P plus vite qu'un sable non consolidé. Au passage d'une interface entre deux terrains de vitesses différentes, une partie de l'énergie revient vers la surface et le reste poursuit sa course en changeant de direction. Le contraste d'impédance acoustique, produit de la densité par la vitesse, détermine la part de l'énergie réfléchie.

Sismique réflexion

La sismique réflexion enregistre les ondes renvoyées par les interfaces géologiques et les classe selon le temps de trajet aller-retour. Les capteurs sont disposés en ligne, parfois sur plusieurs kilomètres, et chaque tir est enregistré par l'ensemble du dispositif. La couverture multiple, obtenue en déplaçant la source le long du profil, fait enregistrer plusieurs fois le même point du sous-sol sous des angles différents, et la sommation de ces traces fait ressortir le signal en atténuant le bruit. En mer, un navire tracte des flûtes équipées d'hydrophones et la cadence régulière des tirs autorise une acquisition continue. La profondeur d'investigation atteint plusieurs milliers de mètres, ce qui a fait de cette méthode l'outil principal de l'exploration pétrolière.

Sismique réfraction

La sismique réfraction utilise les ondes qui circulent le long d'une interface où la vitesse augmente, puis remontent vers la surface. Le dépouillement s'appuie sur les premières arrivées lues sur chaque capteur et sur la courbe qui relie le temps d'arrivée à la distance entre la source et le capteur. La rupture de pente de cette courbe donne la profondeur du toit du terrain rapide ainsi que la vitesse de chacune des couches traversées. Cette approche convient aux reconnaissances de faible profondeur, jusqu'à quelques dizaines de mètres, notamment pour évaluer l'épaisseur des altérites au-dessus d'un socle rocheux. Elle suppose en revanche que les vitesses croissent avec la profondeur, et une couche lente intercalée entre deux couches rapides reste invisible à l'enregistrement.

Sources et capteurs

Les sources sismiques varient selon la profondeur visée et le milieu traversé. À terre, la masse frappée sur une plaque suffit pour quelques dizaines de mètres, le camion vibreur émet un signal contrôlé en fréquence pour les grandes profondeurs, et l'explosif placé en trou de tir reste employé sur les terrains où un véhicule lourd ne passe pas. En mer, le canon à air comprimé libère une bulle dont l'oscillation produit l'impulsion. Les capteurs sont des géophones à terre, sensibles à la vitesse de déplacement du sol, et des hydrophones en mer, sensibles à la pression. La fréquence émise fixe la résolution obtenue : un signal riche en hautes fréquences distingue des couches minces mais s'atténue vite, un signal plus grave pénètre davantage en séparant moins bien les interfaces.

Traitement des enregistrements

Le traitement transforme les enregistrements bruts en une section interprétable. Les étapes habituelles comprennent la correction des temps liés à l'altitude des points de tir et à la couche altérée de surface, le filtrage des bruits, la correction de l'allongement du trajet avec la distance, la sommation des traces et la migration, qui replace chaque réflexion à sa position géométrique réelle. L'analyse des vitesses, menée sur les données elles-mêmes, conditionne la qualité de toutes ces opérations. Le passage de l'échelle des temps à l'échelle des profondeurs exige un modèle de vitesse, et une erreur sur ce modèle déplace les structures sans que l'image perde son aspect net.

Limites de la méthode

Une section sismique ne donne pas la nature des roches mais la géométrie des contrastes d'impédance. L'attribution d'une lithologie à une couche demande un forage de calage, ou au moins des affleurements voisins dont la succession est connue. Les terrains très hétérogènes, les sols urbains remblayés et les zones où du gaz occupe la porosité dégradent fortement le signal enregistré. Le coût d'une campagne dépend du nombre de points de tir, de la densité des capteurs et de la lourdeur du traitement, ce qui conduit souvent à associer un petit nombre de profils sismiques à des mesures électriques moins onéreuses.