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Les Cahiers de l’AGAP N°2
Guide Sismique réfraction
Olivier Magnin
Yves Bertrand
Association pour la qualitØ

en gØophysique appliquØe
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Sismique réfraction
Olivier MAGNIN
Yves BERTRAND
Les Cahiers de l’AGAP n° 2
Mars 2005
Laboratoire Central des Ponts et Chaussées

58, boulevard Lefebvre - 75732 Paris Cedex 15
Réalisation
Les auteurs :
M. Olivier MAGNIN, Ingénieur géophysicien (EOPG Strasbourg, 1984), a consacré
toute sa carrière aux techniques de géophysique appliquée au génie civil et plus parti-
culièrement aux méthodes de mesures sismiques.
Il a été notamment responsable du département Géophysique de la Compagnie de
Prospection Géophysique Française, ainsi que des sociétés GEODIA et FUGRO France,
avant de créer en 2002 la société TERRASEIS, spécialisée dans les activités de conseil,
de recherche et d’enseignement.
M. Yves BERTRAND, Ingénieur géologue ENSG (1959) a consacré sa carrière aux

techniques de la géophysique appliquées au génie civil et plus particulièrement aux
méthodes sismiques, électriques et à la gravimétrie.
Il a été notamment responsable des activités de sismique réfraction à la CPGF (1967-
1988), puis directeur de la SEGG (1988-1995).
Il a participé à la rédaction de l’ouvrage « Génie parasismique » édité sous la direction
de M. V. DAVIDOVICI sous le patronage de M. H. TAZIEFF.
Diffusion
Ce document est disponible au :
Laboratoire Central des Ponts et Chaussées
IST-Diffusion des Éditions
58, boulevard Lefebvre
F-75732 Paris Cedex 15
Téléphone : 01 40 43 50 20
Télécopie : 01 40 43 54 95
Internet : http://www.lcpc.fr
Prix
32 euros HT
En couverture : Enregistrement sismique.
Ce document est propriété du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées

et ne peut être reproduit, même partiellement, sans l’autorisation de son Directeur général
(ou de ses représentants autorisés)
© 2005 - LCPC
ISBN : 2-7208-0385-4
SOMMAIRE
Remerciements 4
Avant-propos 4
Introduction 5
Chapitre 1. Rappel des notions fondamentales 7
Chapitre 2. Mise en œuvre et matériel 17
Chapitre 3. Interprétation des résultats 35
Chapitre 4. Applications - Cas concrets 55
Conclusions 67
Bibliographie 68
ANNEXE 1. Bloc sismique 71
ANNEXE 2. Mesures in situ des paramètres

dynamiques du sol 74
ANNEXE 3. La sismique aquatique 77
ANNEXE 4. Compléments sur l’interprétation

des dispositifs sismiques 81
SISMIQUE RÉFRACTION
REMERCIEMENTS
XXXXXXX
Nous tenons à exprimer notre gratitude aux sociétés ou organismes chez qui nous avons
pu trouver les exemples d'applications présentés dans cet ouvrage :
¾ Société du tunnel du Fréjus et Scetauroute pour l'étude du Lac du Viviers réalisée sur
le projet de l'A43,
¾ CETE Méditerranée et le Centre d'Étude des Tunnels pour la reconnaissance réalisée
sur le projet du nouveau tunnel de Tende,
et plus personnellement MM. Gérald Clément, Yves Lemoine, Viviane Borne et Antoine
Bouvier pour la relecture de notre manuscrit et pour leurs observations pertinentes.
AVANT-PROPOS
XXXXXXX
Le présent « Cahier » a été rédigé à l'initiative de l'AGAP Qualité* (Association pour la

qualité en géophysique appliquée). Il s'agit du deuxième exemplaire d'un ensemble de
fascicules thématiques constituant un transfert d'expérience et traitant chacun d'une
méthode ou d'un domaine d'étude.
Le principe de ces monographies est de fournir aux prestataires en géophysique appli-
quée, ainsi qu'à leurs donneurs d'ordres, des ouvrages pratiques évitant les exposés trop
théoriques. Les rédactions envisagées s'appuient donc sur des praticiens bénéficiant
d'une large expérience dans leurs domaines d'intervention respectifs.
* AGAP Qualité est une association créée en 1992 par quatre organismes d'études géophysiques de
subsurface :
- le BRGM (Bureau d’Études Géologiques et Minières),
- la CGG (Compagnie Générale de Géophysique),
- la CPGF (Compagnie de Prospection Géophysique Française),
- le LCPC (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées).
AGAP Qualité regroupe à présent, au sein de plusieurs collèges, des donneurs d'ordres, des prestataires en
géophysique, des fabricants de matériel et des scientifiques. Une des missions de l'AGAP Qualité consiste
à promouvoir la bonne utilisation des méthodes de géophysique appliquée en terme de qualité du service
rendu au client. La première action concrète de cette association a été de publier le « Code de Bonne
Pratique ». Cet ouvrage comprend une série de 75 fiches présentant chaque technique géophysique, des
tableaux d'adéquation « techniques - besoins », ainsi qu'un guide d'application de la norme ISO 9001 à
l'activité géophysique. Il a été complété récemment par un guide de recommandation à l'usage des clients
et des donneurs d'ordres afin de les aider dans la rédaction des documents contractuels et dans le suivi de
la qualité des prestations qui leur sont proposées puis fournies. La série des « Cahiers de l'AGAP » vient donc
compléter utilement ces documents généraux.
Coordonnées : AGAP Qualité, Maison de la géologie, 77 rue Claude Bernard, 75005 Paris
Tél : 01 46 07 27 96
email : secretariat@agapqualite.com
4
Au travers d'exemples variés, ils permettront aux géophysiciens d'éviter des erreurs
dans la conception et l'organisation des opérations mais aussi d'améliorer la qualité des
mesures et leur interprétation. Ils font également le point sur le matériel et sur les derniers
développements en matière d'outils d'interprétation ou de modélisation. Par ailleurs, ils
contribueront à éclairer les donneurs d'ordres sur les capacités et limites des techniques
géophysiques vis-à-vis de cibles données.
Le président de l'AGAP Qualité
Bertrand HUBERT
Cette brochure est destinée à aider les maîtres d'œuvres et les prestataires de service
dans la préparation, l'organisation, la réalisation et l'interprétation de la sismique
réfraction.
Elle comprend deux parties :
La première partie (chapitres I à IV) aborde toutes les notions de base nécessaires
pour acquérir les connaissances conduisant à une bonne mise en œuvre de la méthode
sismique réfraction et également à un contrôle efficace des dossiers remis aux maîtres
d'œuvres. Après un bref rappel des notions fondamentales permettant de mieux
appréhender les principes physiques sur lesquels repose cette méthode, l'accent a été
mis sur les aspects pratiques de mise en œuvre de cette technique, avant d'aborder le
problème de l'interprétation des données.
La seconde partie est composée de quatre annexes qui abordent des problèmes
d'interprétation particuliers et des mises en œuvres spécifiques de la sismique réfraction
(bloc sismique, sismique marine) ou utilisant certaines propriétés de la propagation des
ondes sismiques (détermination des modules dynamiques).
INTRODUCTION
XXXXXXX
Parmi les méthodes d'exploration du sous-sol, la sismique réfraction a pour vocation

principale la reconnaissance des massifs rocheux dans le cadre des projets d'implanta-
tion d'ouvrages d'art, et ceci sous deux aspects fondamentaux :
a - les études structurales dont l’objectif est la recherche et le suivi de l'évolution de la
position du substratum sous une couverture meuble,
b - la caractérisation de l'état physique des diverses zones du massif rocheux par la
connaissance des vitesses sismiques de chacune de ces zones.
Ces études ont des applications très diverses, souvent en association avec d'autres
techniques de reconnaissance, en particulier :
¾ analyse des propriétés mécaniques des massifs préalablement à l'édification des
grands ouvrages de travaux publics (barrages, grands travaux, etc.),
5
¾ détermination des moyens de terrassement des massifs rocheux,

¾ étude des aquifères.
Il est important de ne pas confondre la sismique réfraction, méthode adaptée aux

reconnaissances à faible et moyenne profondeur (200 m maximum), avec la sismique
réflexion, méthode sismique de base pour les reconnaissances à moyenne profondeur
(au-delà de 30 à 50 m) et à très grande profondeur (plusieurs centaines voire milliers de
mètres), qui met en jeu des moyens et des investissements incomparablement plus
importants.
Cette différence est celle qui existe entre l'artisanat et la grande production industrielle.
Il en résulte qu'en sismique réfraction le nombre très réduit d'intervenants impose à
ceux-ci des connaissances très étendues en physique et en géologie. Dans la chaîne de
production d'une mission de géophysique réfraction il n'existe quelquefois qu'un seul
échelon qui assure la collecte des données et leur interprétation.
L'ingénieur géophysicien est la plupart du temps amené à prendre en charge les mesures,
le traitement et l'interprétation géophysique des données, et enfin la traduction géologique
ou géotechnique de cette interprétation.
6
Chapitre 1
Rappel des notions fondamentales
XXXXXXX
1.1. Principes généraux de la transmission des ondes 8

1.1.1. Ondes planes 8
1.1.2. Ondes de surface 9
1.1.3. Notions de base 9
1.2. Propagation dans les milieux discontinus 11

1.2.1. Cas d’un bicouche 11
1.2.2. Cas de plusieurs couches planes horizontales 13
1.2.3. Cas d’un seul marqueur plan incliné 14
7
Chapitre 1.
Rappel des notions fondamentales
XXXXXXXX
1.1. PRINCIPES GÉNÉRAUX

DE LA TRANSMISSION DES ONDES
Les développements mathématiques de la théorie de l'élasticité et des équations
d'ondes étant déjà largement explicités dans de nombreux ouvrages (cf. bibliographie),
nous avons délibérément choisi de ne présenter qu'un bref rappel théorique des
formules de base régissant les lois de la sismique réfraction.
Les vitesses sismiques, paramètres physiques utilisés en sismique réfraction,
correspondent aux vitesses de transmission d'un ébranlement dans un milieu solide.
1.1.1. Ondes planes

La théorie de l'élasticité montre que sous l'effet d'une contrainte (ébranlement) les
solides élastiques homogènes et isotropes subissent une déformation correspondant
alors à deux types principaux d'ondes pouvant se déplacer soit longitudinalement
(ondes de compression ou ondes P, vitesse Vp), soit transversalement (ondes de
cisaillement ou ondes S, vitesse Vs). La figure 1 montre les déformations d'une lame
d'un milieu soumis à ces deux types d'ébranlements.
FIGURE 1
DÉPLACEMENT ONDES P ET S.
Compression
8
CHAPITRE 1
On rappellera que :
λ + 2μ μ
Vp = et Vs = où λ et μ sont deux coefficients appelés coefficients de
ρ ρ
Lamé (physicien français du XIXe siècle), et ρ la densité.
Le rapport des vitesses longitudinales et transversales est ainsi de :
Vp λ + 2μ ρ λ + 2μ
= * =
Vs ρ μ μ
où
⎯
λ et μ étant positif, ce rapport est au moins égal à √2 .
⎯
En règle générale, dans les solides, λ et μ sont très voisins ; le rapport vaut alors √ 3.
Dans les fluides il n'y a pas de cisaillement, μ = 0.
Dans la pratique, on utilise plus généralement les paramètres suivants :
Module de cisaillement G=μ
Module d'Young E = 2ρ.Vs2 (1 + ν)
Coefficient de Poisson ν = (Vp² - 2Vs2)/2(Vp2 - Vs2).
1.1.2. Ondes de surface

Dans la réalité, le solide où se propage les ondes n'est jamais infini. Il existe alors deux
autres types d'ondes qualifiées d'ondes de surface :
¾ ondes de Rayleigh se déplaçant dans le plan vertical de propagation et possédant à
la fois une composante longitudinale et une composante transversale (assimilable à la
houle),
¾ ondes de Love qui n'existent que si le milieu n'est pas homogène mais formé de
couches superposées. Le mouvement n'a qu'une composante horizontale. Il faut donc
disposer de capteurs horizontaux pour détecter ce type d'ondes.
Ces deux types d'ondes n'existent que près de la surface, leur amplitude diminuant
exponentiellement avec la profondeur. Elles sont parfois exploitées, mais leur utilisation
dans les études déborde largement du cadre de cet ouvrage.
1.1.3. Notions de base

Rappelons, sous la forme d'une simple énumération, les notions de base nécessaires à
une bonne compréhension des interprétations et des applications de la sismique
réfraction :
¾ les vitesses sismiques étudiées en réfraction sont les vitesses de déplacement de
l'onde de compression qui a la particularité d'être la plus rapide. Cette onde arrivant
toujours en premier sur les capteurs est ainsi aisément reconnaissable,
¾ les ondes sismiques sont d'un traitement assez délicat, et pour rendre aisée l'étude
du mécanisme de leur propagation, la convention veut qu'on les représente par les
9
rayons sismiques qui leur sont orthogonaux, mais qui n'ont aucune existence physique
(Fig. 2),
¾ les rayons sismiques ainsi définis suivent les mêmes lois que les rayons lumineux, en
particulier les lois de la réflexion et bien sûr de la réfraction (lois de Descartes) (Fig. 3),
¾ une des particularités des lois de l'optique exploitée par la sismique réfraction est la
réfraction totale qui est liée au fait que les ondes sismiques peuvent se propager
horizontalement au toit d'une couche plus rapide, à condition que les rayons sismiques
l'atteignent sous un angle d'incidence égal à l'angle de réfraction limite λ, ceci avant de
remonter ensuite vers la surface avec le même angle d'émergence. Cette propriété se
conçoit plus facilement si l'on considère non plus le rayon rasant, mais le tronçon de
front d'onde qui se propage perpendiculairement à la surface de séparation des deux
milieux.
Cette propriété est illustrée sur la figure 4 où λ est l'angle de réfraction limite atteint
lorsque i2 est égal à π/2 et tel que sinλ = V1/V2.
FIGURE 2 FIGURE 3
REPRÉSENTATION DU RAYON SISMIQUE. LOI DE SNELL - DESCARTES.
Front d'onde
i1
V1
sin i1 V1
=
sin i2 V2
V2
Rayon i2
sismique
FIGURE 4
RÉFRACTION TOTALE - SCHÉMA DE PRINCIPE.
Émission
Réception
λ λ λ λ
λ
V1, e1
Rayon rasant
π/2 V2, e2
Front d'ondes
10
CHAPITRE 1
Il est intéressant de noter que plus le contraste de vitesse est grand, plus l'angle de
réfraction limite est petit.
Exemple : V1 = 1000 m/s
V2 = 5000 m/s λ = 11°
V1 = 1000 m/s
V2 = 2000 m/s, λ = 30°
¾ le corollaire de cette propriété est que seuls sont théoriquement analysables les
schémas pour lesquels les différentes couches ont des vitesses croissantes en fonction
de la profondeur.
1.2. PROPAGATION
DANS LES MILIEUX DISCONTINUS
1.2.1. Cas d'un bicouche
Calcul de l'équation donnant le temps d'arrivée de la réfractée première en fonction

de la distance X entre le point d'émission et le récepteur dans le cas d'un bicouche
composé d'une première couche lente de vitesse V1 et d'épaisseur finie, reposant sur
une couche d'épaisseur infinie de vitesse V2 > V1. Le graphique suivant « temps-
distance » est appelé hodochrone ou dromochronique (Fig. 5).
FIGURE 5
CAS D’UN BICOUCHE.
Temps (ms)
Pente 1/V2
Point de brisure
Intercept I
Pente
1/V1
Xc
0
Distance critique Distance x
E R1 R
λ λ
e Épaisseur = e V = cte = V1
L1 M1 M2 L2
V = cte = V2>V1
11
EM1 + M2R M1M2

T= +
V1 V2
M1M2 X 2L 1M1
L1M1 = e.tg λ = M2L 2 ⇒ = −
V2 V2 V2
2e X − 2etgλ
T= +
V1cosλ V2
V1
V2 =
sin λ
2e X (2etg λ )
T= + − sinλ
V1cosλ V2 V1
X 2e ⎛ 1 ⎞
T= + ⎜ − tgλ sin λ ⎟
V2 V1 ⎝ cosλ ⎠
X 2e ⎛ 1 − sin 2 λ ⎞
T= + ⎜ ⎟
V2 V1 ⎜⎝ cosλ ⎟
⎠
cos λ = 1 − sin λ
2 2
X 2e
T= + cosλ
V2 V1
Cette dernière expression est l'équation d'une droite de pente 1/V2

et d'ordonnée à l'origine, ou intercept, I = 2.e cosλ.
V1
Sur le graphique « temps-distance », les droites de pente 1/V1 et 1/V2 se croisent en un

point appelé point de brisure. Pour les réceptions à gauche de ce point de brisure, le
temps du trajet direct est inférieur au temps du trajet réfracté et inversement pour les
réceptions situées à droite du point de brisure.
Calcul de l'épaisseur e
La branche de dromochronique permet de définir les vitesses V1 et V2, inverses des
pentes des droites, et par conséquent la valeur de λ, tel que sinλ = V1/V2. L'intercept I
permet alors de calculer l'épaisseur e de la couche.
e = I.V1
2.cosλ
On peut calculer également l'épaisseur de la couche à partir de l'abscisse du point de
brisure Xc ou distance critique.
Xc V2 − V1
e=
2 V2 + V1
À titre d'information, le tableau I donne la distance critique pour un marqueur plan

horizontal situé à 10 m de profondeur, cela en fonction du contraste de vitesse entre V1
et V2.
12
CHAPITRE 1
TABLEAU I
CALCUL DES DISTANCES CRITIQUES
V1 400 1600 2000 2500 3000

V2 4500 4500 4500 4500 4500
Xc 22 29 32 37 45
Définition du délai sismique

Le délai sismique est par définition égal à la moitié de l'intercept.
Dans le cas présent, le délai du réfracteur V2 est égal à (e/V1) cos λ. Cette notion de
délai sismique est très importante et pourra être étendue à tous les schémas quel que
soit le nombre de couches.
1.2.2. Cas de plusieurs couches

planes horizontales (Fig. 6)
V4
I3
V3 FIGURE 6
I2 CAS DE PLUSIEURS COUCHES
V2 PLANES HORIZONTALES.
I1
V1
0
x
e1 V1
e2 V2
e3 V3
e4 V4 Avec (V1<V2<V3<V4)
En exprimant de proche en proche, comme pour le cas de deux couches horizontales,

les temps de trajets réfractés totalement à la surface des 2°, 3°, 4°, n° couche, on
obtient autant d'équations de droites dont les paramètres sont les suivants :
a - les inverses des pentes des diverses droites sont égales aux vitesses des
réfracteurs correspondants ;
b - les ordonnées à l'origine ou intercepts sont des fonctions des vitesses et des
épaisseurs des diverses couches.
13
Si on admet les notations suivantes : sinipn = Vp/Vn , les expressions des intercepts sont
les suivantes :
Connaissant les vitesses V1, V2,...Vn-1, Vn, les angles i sont par conséquent connus par
leurs sinus et on calcule les épaisseurs e1, e2, e3, ep, ... de proche en proche.
e1cos i1, 2
I1 = 2
V1
e1cosi1,3 e2cosi2,3
I2 = 2 +2
V1 V2
e1cos i1, 4 e2cosi2, 4 e3cos i3, 4
I3 = 2 +2 +2
V1 V2 V3
...........
n −1
e1cosi1,n e2cosi2,n epcosip, n en - 1cosin − 1, n epcos ip, n
In - 1 = 2
V1
+2
V2
+ .... + 2
Vp
+ ... + 2
Vn-1
=2 ∑
p =1 Vp
La généralisation de la notion de délai sismique conduit à :
n−1
ep cos ip, n
Dn − 1 = ∑ Vp
p =1
Les épaisseurs de terrain e1, e2, e3 pourront aussi être obtenues à l'aide des formules
aux tangentes suivantes :
De façon générale, ipn = angle qui a pour sinus la valeur Vp/Vn.
I1
e1 = V2tgi12
2
I tgi
e 2 = 2 V3tgi23 − e1 23
2 tgi13
I tgi tgi
e3 = 3 V4 tgi34 − e 2 34 − e1 34
2 tgi24 tgi14
1.2.3. Cas d'un seul marqueur plan incliné (Fig. 7)
T T
Θ Θ
Pente
1/V
2am
FIGURE 7 V av
te 1/ 2
I'1
Pen
CAS D’UN SEUL MARQUEUR PLAN INCLINÉ I1
(TIRÉE DU DICTIONNAIRE DE GÉOPHYSIQUE Pente
1/V1
APPLIQUÉE - P. CHAPEL, 1980). Pente
1/V1
0 0
V2 > V1
λ
e
V1 λ
e'
V2 α
14
CHAPITRE 1
V2am représente la vitesse apparente pour les trajets se dirigeant vers l'amont du
marqueur et V2av la vitesse apparente pour les trajets se dirigeant vers l'aval.
Ces vitesses apparentes sont données par les relations :
V1
sin( λ + α ) =
V 2 av
V1
sin( λ − α ) = donc V2am > V2av
V 2am
1 1⎛ 1 1 ⎞ 1
Il vient : = ⎜⎜ + ⎟⎟
V2 2 ⎝ V2am V2av ⎠ cos α
les angles de pendage étant généralement faibles, on peut négliger le facte ur

1/cos α (très peu différent de 1), la formule approchée s’écrit alors :
V2am. V2av
V2 = 2 , moyenne harmonique des deux vitesses apparentes.
V2am + V2av
et
V2 ⎛ 1 1 ⎞⎟
cos α = ⎜ +
2 ⎜V ⎟
⎝ 2am V2 av ⎠
Les distances perpendiculaires au marqueur : e et e’ s’obtiennent simplement à

partir des intercepts I1 et I’1 :
V 1I 1 V 1 I'1
e= et e’ =
2 cos λ 2 cos λ
Il est important de signaler qu'il suffit d'un très faible pendage pour faire évoluer très
rapidement les valeurs des vitesses apparentes aval et amont.
Le tableau II montre cette évolution pour V1 = 2500 m/s et V2 = 4500 m/s.
Les valeurs négatives de la vitesse apparente amont traduisent le fait que les temps
d'arrivée sont de plus en plus faibles au fur et à mesure que l’on s'éloigne de la source
d'ébranlement. Dans ce cas, pour le calcul de la vitesse vraie, la formule approchée de
la moyenne harmonique écrite ci-dessus ne s'applique pas. La formule exacte avec
introduction du facteur cosα doit être appliquée. La valeur du pendage étant rarement
connue, on devra alors passer par l’étude de la fonction Minus.
La figure 8 présente un exemple de vitesses négatives dans le cas d'un dispositif placé
perpendiculairement à l'axe d'un sillon glaciaire.
15
TABLEAU II
ÉVOLUTION DES VITESSES APPARENTES EN FONCTION DU PENDAGE
Pendage Vitesse Vitesse Moyenne Moyenne Écart

angle α apparente apparente harmonique harmonique (%)
amont aval exacte approchée
(x cosα)
0 4500 4500 4500 4500 0

5 5198 3994 4500 4517 0,38
10 6208 3615 4500 4569 1,54
15 7778 3325 4500 4659 3,53
20 10519 3100 4500 4789 6,42 Limite de validité
25 16436 2924 4500 4965 10,34 de la formule
30 38235 2787 4500 5196 15,47 approchée
35 - 114511 2682 4500 5493 22,08
40 - 22960 2604 4500 5874 30,54
45 - 12813 2549 4500 6364 41,42
50 - 8934 2515 4500 7001 55,57
FIGURE 8
VITESSES NÉGATIVES - CAS D’UN SILLON GLACIAIRE.
T T
1 24
O 1 24 P
16
Chapitre 2
Mise en œuvre et matériel
XXXXXXX
2.1. Mise en œuvre 18

2.1.1. Remarque préliminaire 18
2.1.2. Réalisation d’un dispositif sismique 19
2.1.2.1. Nombre de capteurs et de tirs 19

2.1.2.2. Longueur du dispositif 20
2.1.2.3. Choix de la distance des tirs « offset » 21
2.1.3. Relevé topographique 22
2.1.4. Gestion du temps zéro 22
2.1.5. Conseils pratiques 23
2.1.5.1. Élaboration de l’offre 23

2.1.5.2. Mesures 24
2.2. Acquisition des données 25

2.2.1. Signal sismique 25
2.2.2. Enregistrement (film sismique) 26
2.2.3. Transformation du film sismique en document interprétable 27
2.3. Matériel 28
2.3.1. Capteurs 28
2.3.2. Enregistreurs 29
2.3.3. Sources 30
2.3.3.1. Explosif 30
2.3.3.2. Sources non destructives type chute de poids 31
2.3.3.3. Sources non destructives de type « fusil » 31
2.3.4. Flûtes sismiques 33
2.3.5. Système de déclenchement par radio 33
17
Chapitre 2.
Mise en œuvre et matériel
XXXXXXXX
2.1. MISE EN ŒUVRE
2.1.1. Remarque préliminaire

Il convient en premier lieu de préciser que la sismique réfraction, dans ses applications
les plus classiques et les plus habituelles, est une méthode d'exploration linéaire du
sous-sol. Les capteurs d'un dispositif sont alignés et le panneau ausculté est
généralement situé à la verticale du dispositif.
En toute rigueur, il faut préciser que ce panneau est en réalité orthogonal aux couches.
Lorsque la structure est complexe, il peut se faire que la surface auscultée soit gauche,
mais cette anomalie n'est en aucun cas détectable, et on assimilera toujours le panneau
ausculté à un plan moyen orthogonal aux couches.
Il est important de profiter de l'illustration de la figure 9 pour mettre en évidence le fait
que l'implantation d'un sondage mécanique de calage doit prendre en compte l'effet dû
au pendage du substratum.
Dispositif Plan dans lequel

est représenté
la coupe sismique
FIGURE 9
PLAN D’INVESTIGATION D’UN PROFIL LINÉAIRE.
Substratum
18
CHAPITRE 2
Un écart important entre la profondeur du toit du rocher mise en évidence par sondage
mécanique et la coupe sismique peut parfois s'expliquer par un pendage important du
substratum. C'est pour cela qu'il est important d'effectuer au moins deux profils
perpendiculaires dans les secteurs où les pendages sont importants.
Ces dernières remarques n'empêchent pas d'imaginer des dispositifs où les capteurs
seraient implantés selon un semis de points permettant une interprétation en 3D. Ce
type de mise en œuvre nécessite des processus d'interprétation spécifiques, mais
toujours basés sur les lois connues et invariables de la propagation des ondes
sismiques (cf. annexe technique 1 sur le bloc sismique).
2.1.2. Réalisation d'un dispositif sismique

Les normes auxquelles doivent obéir les dispositifs sismiques sont exposées ci-après
dans un but pratique. Les justifications théoriques détaillées de la nécessité de suivre
ces normes sont exposées dans le paragraphe sur l'interprétation.
2.1.2.1 Nombre de capteurs et de tirs

Le dispositif le plus simple ci-après schématisé (Fig. 10) semble être le dispositif
minimal, tant au point de vue du nombre de capteurs que du nombre de tirs, en-deçà
duquel les informations fournies risquent de devenir très incertaines. Les tirs O et P,
extérieurs au dispositif, sont appelés tirs offset ou tirs lointains. Les tirs A et B sont
appelés tirs en bout et le tir C : tir au centre.
FIGURE 10
DISPOSITIF D’ACQUISITION MINIMAL.
O A B P
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Impacts
Le nombre de capteurs mis en place est généralement fixé par le nombre de voies dont
dispose l'enregistreur, classiquement vingt-quatre voies sur les laboratoires de
sismique réfraction.
Pour un dispositif de vingt-quatre capteurs le nombre de tirs dépend de l'homogénéité
supposée du sous-sol et de la précision demandée. En se basant sur le dispositif
minimal ci-dessus indiqué, il devient nécessaire pour vingt-quatre capteurs d'exploiter
cette ligne de capteurs par cinq tirs, les deux tirs offset O et P, les tirs en bout A et B et
un tir central C. Lorsqu'on risque de se trouver en présence de nombreuses et rapides
variations latérales de faciès, on ajoute quelquefois des tirs intermédiaires D et E entre
les capteurs 6 et 7 d'une part et 18 et 19 d'autre part (Fig. 11).
FIGURE 11
DISPOSITIF 24 TRACES - 7 TIRS.
O A D C E B P
1 6 7 12 13 18 19 24
19
Dans ce dernier cas, la dromochronique du dispositif pourra être la suivante (Fig. 12) :
Temps Temps
FIGURE 12
DROMOCHRONIQUES ASSOCIÉES
À UN DISPOSITIF 24 TRACES - 7 TIRS.
O P
1 6 7 12 13 18 19 24
A D C E B
2.1.2.2. Longueur du dispositif

La longueur du dispositif est la distance entre les deux tirs en bout, A et B, ou ce qui
revient à peu près au même, la distance entre les deux capteurs extrêmes 1-12 ou 1-24.
Le choix de cette longueur va dépendre de la profondeur de la cible recherchée et des
contrastes de vitesses existant entre les différents horizons sismiques intermédiaires
(loi de vitesses du site).
La longueur du dispositif doit être assez grande pour qu'on puisse voir, au moins pour
les ébranlements des deux tirs en bout A et B, une propagation au toit du substratum sur
environ la moitié de la longueur du dispositif, soit six ou douze capteurs.
Dans l'hypothèse où l'on dispose d'un minimum de renseignements sur la géologie
prévisible du site, une bonne approche est de se servir de la formule de calcul de la
distance critique ou point de brisure.
Nous avons vu précédemment (cf. Chapitre 1, paragraphe 1.2. Propagation dans les
milieux discontinus) que la distance critique : Xc, c'est-à-dire la distance par rapport au
point de tir à partir de laquelle on pointe la réfractée au toit du milieu de vitesse V2, se
calculait à partir de la formule :
X C = 2e. (V2 + V1 ) / (V2 − V1 )
Il suffit donc de prendre 2.Xc pour ne pas courir le risque de mettre en place un dispositif
trop court.
Exemple pour un substratum à 30 m :
TABLEAU III
CALCUL DE LA LONGUEUR DU DISPOSITIF
V1 400 1500 2000 2500 3000

V2 4500 4500 4500 4500 4500
Xc 66 85 96 111 135
20
CHAPITRE 2
Ce qui représente une longueur allant de 130 m pour un contexte de sédiment meuble
sur substratum sain, à 270 m pour l'étude de la frange altérée d'un substratum, soit un
coefficient allant de quatre à neuf fois la profondeur de l'objectif.
Sans renseignement particulier sur le site étudié, on prend généralement en terrestre
un coefficient voisin de 6 pour la réalisation du premier dispositif, c'est-à-dire 120 m de
longueur de dispositif pour une profondeur d'investigation de 20 m.
À titre d'information, pour un milieu à trois couches :
V3 + V2 V3 V22 - V12 - V2 V32 - V12

X C2 = 2.e 2 - 2.e 1
V3 - V2 V1 .(V3 - V2 )
où la première couche est caractérisée par la vitesse V1 et l'épaisseur e1, la deuxième

couche par la vitesse V2 et l'épaisseur e2, et la troisième couche d'épaisseur infinie par
la vitesse V3.
De toute façon, il est vivement conseillé de réaliser une pré-interprétation minute sur le
site dès la réalisation du premier tir, afin de vérifier que la valeur des vitesses de fond
correspond bien à l'objectif recherché, car il arrive parfois que les vitesses
intermédiaires soient si proches les unes des autres que les angles de réfraction limite
atteignent des valeurs telles que l'on se retrouve avec des distances critiques
particulièrement élevées. Ce phénomène se produit parfois en zone aquatique où il
arrive qu'il soit nécessaire d'utiliser un dispositif de 100 m de long pour atteindre une
profondeur d'investigation de 8 à 10 m.
Le nombre de capteurs par dispositif étant fixé, le paramètre sur lequel on agit pour
satisfaire cette condition de longueur du dispositif est la distance entre les capteurs ou
intertrace. Cet intertrace peut être variable sur un même dispositif ; en effet on resserre
quelquefois les capteurs près des points de tir pour obtenir une meilleure précision sur
les couches très superficielles.
La profondeur du substratum sismique atteint et bien reconnu par un dispositif
déterminé est quelquefois appelée « profondeur d'investigation ».
2.1.2.3. Choix de la distance des tirs « offset »

Il est absolument nécessaire que les tirs « offset » (O et P) soient implantés à une
distance telle que la propagation enregistrée sur la totalité des capteurs du dispositif
corresponde à une réfraction totale sur le substratum sismique.
Dans l'hypothèse d'un objectif ayant peu ou pas de pendage et avec un contraste de
vitesses suffisant, si la longueur du dispositif est bien ajustée on positionne ces points
de tir lointains à une distance égale à la demi-longueur de ce dispositif.
Le choix devient plus complexe quant on veut suivre un substratum présentant un
pendage important. Il est alors indispensable d'ajuster les distances de tir comme
illustré sur la figure 13, où l'on voit que le tir offset 1 a dû être placé à une grande
distance du capteur 1, cela afin de laisser au front d'onde le temps d'atteindre le toit du
substratum, alors qu'il suffisait de placer le tir offset 2 près de l'affleurement afin d'être
sûr d'avoir une onde réfractée au toit de ce substratum.
Quelquefois, il est également très opportun, lorsque les dispositifs sont jointifs et
forment un profil, de réaliser des tirs offset supplémentaires positionnés en plusieurs
points de tirs des dispositifs adjacents. On obtient ainsi des branches de
dromochroniques définies par des pointages sur 24, 36, 48 capteurs, voire plus.
21
Lorsqu'elle est économiquement viable, cette façon de procéder conduit, par les
nombreux recoupements d'informations qu'elle permet, à des interprétations de grande
qualité.
FIGURE 13 Offset 2
IMPLANTATION DES TIRS « OFFSET ».

24
Offset 1 1
Alluvions
Substratum
Important
En l'absence de toute indication sur le pendage, il est recommandé, pour éviter les
mauvaises surprises, de réaliser des « offset » distants des tirs en bout d'une longueur
égale à la longueur du dispositif.
Remarque
Sur les sites à forte couverture meuble (latérite argileuse surmontant le socle cristallin
dans les pays tropicaux et équatoriaux), il est pratiquement impossible d'obtenir de tirs
« offset » exploitables lorsque le tir est exécuté sur une forte épaisseur de couverture et
ce même avec de très fortes charges. Dans ce cas, le choix des positions optimales des
« offset » n'obéit plus à un critère de distance, mais d'altitude du point de façon à le
situer le plus près possible du socle. Il est ainsi recommandé de positionner les
« offset » (lorsque cela est possible) au droit de lignes d'écoulement d'eau qui ont
raviné partiellement ou totalement la couverture, même lorsque ces points se situent
près de l'extrémité de la ligne des capteurs.
2.1.3. Relevé topographique

Un relevé de la position des dispositifs doit systématiquement être effectué afin, d'une
part, de prendre en compte la topographie dans l'interprétation finale et, d'autre part, de
pouvoir aisément situer les éventuelles anomalies.
Le nombre de points relevés va bien sûr dépendre de la complexité de la topographie
du site et de la précision recherchée par le maître d'ouvrage.
Cela peut aller d'un simple relevé X, Y, Z de chaque extrémité du dispositif, à un relevé
X,Y, Z de la position de l'ensemble des 24 capteurs.
2.1.4. Gestion du temps zéro

On appelle « Temps Zéro », ou « Time Break », ou « TB », l'instant effectif où le tir est
déclenché. C'est à partir de cet instant que les temps d'arrivée aux capteurs doivent être
observés ou calculés.
22
CHAPITRE 2
Un temps zéro parfaitement maîtrisé est indispensable à la réalisation d'une

interprétation fiable et de bonne qualité.
L'idéal est de disposer de détonateurs « sismiques » spécialement conçus pour la
géophysique et présentant l'avantage d'être des instantanés ayant subi un contrôle plus
sévère afin de garantir un temps zéro parfait.
Ce type de détonateurs est parfois impossible à trouver dans certains pays et l'on se
retrouve ainsi à gérer des détonateurs présentant des délais importants. La seule
solution fiable est alors de travailler « à la rupture » en enroulant le câble relié à l'entrée
TB de l'enregistreur autour de la charge.
On vérifiera bien sûr au préalable que l'enregistreur utilisé permet un déclenchement à
l'ouverture ou à la fermeture d'un circuit.
Cette méthode s'accompagne malheureusement souvent d'entraînements électriques
importants perturbant la qualité du film sismique enregistré.
On conseillera alors d'utiliser un boîtier électronique « tampon » permettant de relayer
un signal d'ouverture plus propre vers l'enregistreur.
Dans l'hypothèse où l'opérateur à des doutes sur la qualité de son temps zéro, suite à
l'utilisation de détonateurs avec délais ou de sources de type chute de poids, nous
conseillons d'effectuer un calage en réalisant tout simplement un tir à la masse avec un
système de déclenchement de type « hammerswitch » (contacteur à mercure).
On doit également tenir compte de la profondeur d'enfouissement de la charge qui peut
nécessiter une correction du temps zéro de quelques millisecondes.
2.1.5. Conseils pratiques

Le lecteur trouvera dans ce paragraphe quelques conseils lui permettant d'anticiper
autant que possible certains problèmes qu'il serait susceptible de rencontrer dans le
cadre de la réalisation d'une prospection de sismique réfraction.
2.1.5.1. Élaboration de l'offre

Il n'est pas inutile de rappeler ici que la proposition financière va dépendre de nombreux
facteurs dont les plus importants sont :
Cadre administratif
¾ On doit respecter certaines contraintes administratives relatives à l'hygiène et la
sécurité, à l'assurance qualité, ainsi que celles nécessaires aux bonnes relations avec
les services territoriaux (mairies, département, équipements civils, etc.) et les
propriétaires privés. Très souvent, l'existence d'un arrêté préfectoral ne constitue pas
une fin, mais un moyen permettant un contact plus aisé avec les divers intéressés.
Cadre géographique
¾ Topographie des profils étudiés.
¾ Environnement immédiat : présence de routes, voies ferrées, zone urbanisée créant
non seulement des problèmes de sécurité dans le cadre de l'utilisation d'explosif, mais
aussi un bruit ambiant dont il est parfois difficile de s'affranchir.
¾ Nécessité de débroussailler les profils.
¾ Accès au site.
23
Cadre contractuel
¾ Délais, pénalités de retard.
¾ Nombre de réunions intermédiaires avec la maîtrise d'œuvre.
¾ Nombre d'exemplaires du rapport, cela peut parfois aller jusqu'à 10.
¾ Prise en charge des dégâts inhérents à la réalisation des reconnaissances sismiques
tels que l'ouverture des layons dans les cultures, les traces de surcreusement laissées
par la réalisation des tirs, etc.
2.1.5.2. Mesures
Présence de lignes EDF et/ou d'équipements enterrés

Il est important de vérifier que des lignes EDF moyenne ou haute tension ne traversent
pas le site au droit des profils à effectuer, ce qui interdirait toute utilisation de l'explosif
compte tenu des risques de déclenchements intempestifs des détonateurs soumis au
champ électromagnétique créé par les lignes.
La seule solution est alors d'utiliser soit des sources de type chute de poids dont les
coûts d'amenée et repli et de mise en œuvre sont nettement plus élevés, soit des
sources de type fusil (shotgun) moins coûteuses mais limitées à la réalisation de
dispositifs courts compte tenu de leur faible énergie.
Déclenchements intempestifs de l'enregistreur

La cause principale pouvant engendrer des déclenchements aléatoires de l'enregistreur
est généralement liée à l'apparition d'un temps orageux créant de fortes perturbations
électromagnétiques.
Il est alors extrêmement difficile voire impossible de travailler sachant que de toute
façon un boutefeu prudent arrêtera les tirs compte tenu des risques encourus.
Une autre cause de déclenchement incontrôlé de l'enregistreur peut être liée à la
présence d'un relais hertzien (radio ou téléphone) situé près du site. Une solution peut
être alors de couper l'effet d'antenne en effectuant un certain nombre de boucles avec
le câble TB. Le succès de cette opération n'est bien sûr pas garanti sachant que cela
dépendra de la puissance et de la fréquence sur laquelle travaille l'émetteur.
Présence d'entraînements
La qualité des enregistrements est parfois perturbée par des entraînements électriques,
qui la plupart du temps rendent les films illisibles.
Véritable plaie du sismicien, ces entraînements ont le plus souvent des causes mal
identifiées : entraînement par le signal du « time break », d'une trace ou du tir lui-même
(le plus fréquent).
Les « remèdes » utilisés sont plus ou moins efficaces :
¾ mise de l'enregistreur à la masse,
¾ éviter de croiser la ligne de tir et les flûtes sismiques,
¾ diminution des gains des traces délivrant un signal trop important.
Tirs à l'explosif
Compte tenu des nombreux problèmes administratifs et juridiques que pose l'utilisation
de l'explosif, nous conseillons vivement, même si l'on est titulaire d'un brevet de
boutefeu, de sous-traiter la réalisation des tirs à une société spécialisée.
24
CHAPITRE 2
Celle-ci prendra en charge et sera responsable de :

¾ l'envoi des courriers à toutes les administrations concernées avant le démarrage du
chantier,
¾ la fourniture et le stockage de l'explosif,
¾ la mise en place et la réalisation des tirs,
¾ la destruction ou le retour au dépôt de ce qui restera d'explosifs et de détonateurs en
fin de chantier.
2.2. ACQUISITION DES DONNÉES
2.2.1. Signal sismique

Un signal sismique est une représentation, en fonction du temps, du mouvement du sol
produit par un ébranlement (provoqué ou non).
Le signal présenté ci-dessous se divise en deux zones bien distinctes :
¾ la première, relativement calme, précède l'arrivée de l'onde sismique au capteur, les
faibles signaux enregistrés correspondent aux différents bruits de fond caractérisant le
site. Ces bruits de fond peuvent être liés soit à l'activité humaine : site industriel,
circulation routière, etc., soit à des phénomènes naturels : vent, pluie, etc.,
¾ la seconde commence à l'arrivée du front d'onde qui marque le passage de l'état de
repos relatif du sol à l'état d'agitation consécutif à l'arrivée de l'ébranlement. On notera
que derrière ce front d'onde qui marque l'arrivée de l'onde de compression au capteur
se superposent des vibrations très variées, résultant de trajets plus ou moins
complexes au sein des couches du sous-sol (Fig. 14).
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240
Amplitude
Première arrivée FIGURE 14

EXEMPLE DE SIGNAL SISMIQUE.
Temps
¾ sur le signal suivant, on a représenté les deux ondes P et S (Fig. 15). Ce type de
signal peut être produit par certains matériels et dispositifs très spécifiques dans le but
de déterminer les vitesses des ondes P et des ondes S. Mais dans le cas général, le
signal S est noyé dans l'ébranlement qui suit l'arrivée du front d'onde P et seuls les
trajets des ondes P peuvent être chronométrés.
25
FIGURE 15
ENREGISTREMENT ONDES P ET S (DOCUMENT GEODIA).
2.2.2. Enregistrement (film sismique)

Un signal sismique est enregistré en un point du sol par un capteur (sismographe ou
géophone). Si on dispose un certain nombre de géophones (en général en ligne droite)
et que l’on enregistre sur un même document les signaux sismiques obtenus par un
même impact, on obtient un film sismique, à partir duquel il est aisé de déterminer les
temps de trajet entre le point origine de l'ébranlement et les divers capteurs.
La figure 16 présentée ci-dessous correspond à un enregistrement, ou film sismique,
effectué avec un dispositif comprenant 24 capteurs.
FIGURE 16
ENREGISTREMENT SISMIQUE MULTI-TRACES (DOCUMENT GEODIA).
Qualité de l'enregistrement
Il est important de juger sur site de la qualité de l'enregistrement réalisé afin de prendre
la décision de refaire ou non un tir, voire de le sommer (option « stack »).
En effet, l'identification de la première arrivée n'est pas toujours évidente, il se peut que
certains tirs soient trop bruités et/ou que l'énergie reçue soit insuffisante. On risque
26
CHAPITRE 2
alors de rater la première arrivée, le pointé se faisant sur des réfractées secondaires
tardives, voire même dans certains cas sur l'arrivée de l'onde S.
Il arrive malheureusement que des départs jugés corrects soient en réalité liés à une
phase postérieure à la première arrivée. Ce risque de perte de phase (une ou plusieurs)
peut donc amener à sous-estimer les valeurs des vitesses sismiques.
La figure 17 présente un exemple de traces fortement bruitées sur lesquelles les
départs sont difficiles à identifier. Le film est alors qualifié de « mou » et il est
inexploitable à partir des traces 8 à 10.
FIGURE 17
ENREGISTREMENT BRUITÉ.
Il est important de rappeler à cette occasion qu'un contrôle qualité d'une reconnais-
sance par sismique réfraction passera, en particulier, par l'analyse de la qualité des
enregistrements réalisés et des pointés effectués.
Il est donc primordial pour un client de demander à son prestataire de service la
fourniture des dromochroniques et des enregistrements bruts en annexe du rapport
final.
On peut, comme pis-aller, pointer des arrivées tardives et corriger les temps du retard
de phase correspondant. Cette opération, source d'erreurs, mais parfois nécessaire,
doit être contrôlée par le superviseur de l'étude ou par un ingénieur très expérimenté.
2.2.3. Transformation du film sismique

en document interprétable
La première étape du traitement des données enregistrées consiste à pointer pour
chaque trace sismique le temps de première arrivée de l'onde au capteur.
Le report des 24 temps se fait sur un graphique « temps-distance » appelé branche de
dromochronique.
La dromochronique présentée ci-dessous correspond aux résultats obtenus dans le
cadre d'un milieu simple à deux couches de vitesses V1 et V2 (Fig. 18).
Ce graphique est le graphique unitaire et théorique de base à partir duquel on peut
calculer les profondeurs de diverses couches et leurs vitesses. On verra dans le
paragraphe suivant qu'une interprétation correcte nécessite, pour un dispositif
27
déterminé, de disposer de plusieurs graphiques de ce type correspondant à autant

d’impacts enregistrés sur ce linéaire.
L’interprétation sismique réfraction se fera donc sur la base des dromochroniques,
courbes qui correspondent simplement au pointé des premières arrivées de l’onde
réfractée sur les géophones.
FIGURE 18
GRAPHIQUE « TEMPS - DISTANCE » : DROMOCHRONIQUE.
Temps V2
V1
Distance
1 6 12 18 19 24
Récepteurs
2.3. MATÉRIEL
2.3.1. Capteurs
Compte tenu des objectifs recherchés et de la longueur des dispositifs utilisés : 60 à
240 m, les géophones les plus adaptés à la sismique réfraction appliquée au génie civil
et à l'hydrogéologie sont ceux présentant une fréquence propre comprise entre 8 et
14 Hz, les 10 Hz étant les plus communément utilisés (Fig. 19).
FIGURE 19
CAPTEUR.
28
CHAPITRE 2
La courbe de réponse présentée ci-dessous correspond à celle d'un géophone Mark

Products L-28 10 Hz.
On notera que cette courbe est limitée à une fréquence maximale de 200 Hz, ce qui
correspond à la fréquence maximale à partir de laquelle le constructeur ne garantit plus
la qualité de la réponse du capteur (risque de distorsion et d'atténuation du signal
sismique) (Fig. 20).
FIGURE 20
COURBE DE RÉPONSE.
Rappelons que la réponse des capteurs sismiques classiques est une réponse en volts
induits dans la bobine, proportionnelle à la vitesse de déplacement de cette bobine
(donc du sol), appelée vitesse particulaire. Il importe que cette réponse, donc le rapport
tension induite sur vitesse particulaire soit indépendant des autres paramètres du signal
et du capteur, en particulier de la fréquence. C'est ce que traduit le graphique
« constructeur », ici entre 20 et 200 Hertz, fourchette dans laquelle se situent
généralement les fréquences des signaux sismique réfraction.
On rappellera que dans le cadre des études dont l'objectif est d'individualiser les ondes
P et S, il existe des capteurs tridirectionnels composés d'un capteur vertical et de deux
capteurs horizontaux.
2.3.2. Enregistreurs
Les constructeurs diffusent une gamme complète d'enregistreurs allant de 12 à
96 traces.
Nous conseillons d'investir dans un matériel présentant au minimum les caracté-
ristiques suivantes :
¾ pas d'échantillonnage minimal de 1/10 de ms,
¾ amplificateur à virgule flottante et convertisseur analogique/numérique d'au moins
20 bits,
¾ déclenchement à partir d'un géophone, d'un signal TTL, ainsi qu'à la fermeture et à
l'ouverture d'un contact,
¾ filtres 50 Hz et 60 Hz à l'acquisition,
¾ possibilité de filtrage Passe Haut, Passe Bas et Passe Bande à l'acquisition et à la
visualisation,
29
¾ possibilité d'additionner les tirs (option « stack »),

¾ sauvegarde des données sur disquette 31/2 ou disque dur en format SEG2 + support
externe via USB ou réseau.
La présence d'une imprimante intégrée à l'enregistreur est préférable pour certaines
applications, où il peut être indispensable par exemple de comparer en les superposant,
deux films offsets afin d'optimiser la distance de tir (Fig. 21).
FIGURE 21
ENREGISTREUR SISMIQUE.
2.3.3. Sources
Le choix de la source est un des éléments importants dont dépend la qualité de l'étude
réalisée. Celle-ci doit être adaptée à la nature des terrains auscultés et à la longueur du
dispositif effectué.
La source la plus énergétique est l'explosif.
2.3.3.1. Explosif
Plusieurs types de dynamite-gommes sont disponibles.
Nous conseillons l'utilisation d'un explosif qui possède une vitesse de détonation
> 5 000 m/s (type BAM ou NC4).
Les détonateurs utilisés doivent être instantanés ou à retard 0, l'idéal étant de
commander des détonateurs dits « sismiques » spécialement conçus pour la
géophysique et présentant l'avantage d'être des instantanés ayant subi un contrôle plus
sévère afin de garantir un temps zéro parfait.
La réalisation de tirs à l'explosif implique l'utilisation d'une boite de tir spéciale
permettant de déclencher l'enregistreur en même temps que le tir (type EGG
GEOMETRICS HVB1 par exemple).
On rappellera à cette occasion qu'il faut faire très attention aux puissantes boîtes de tir
utilisées par les carriers qui peuvent provoquer d'importants entraînements sur les
enregistrements (induction).
30
CHAPITRE 2
2.3.3.2. Sources non destructives type chute de poids

Un grand nombre de sources est disponible.
Le plus difficile est d'anticiper, lors de la préparation de l'étude, le type de source
nécessaire à la réalisation d'une investigation à une profondeur donnée.
Le tableau IV donne une indication des puissances nécessaires en fonction des
profondeurs d'investigation souhaitées.
TABLEAU IV
PUISSANCE DES SOURCES SISMIQUES TYPE CHUTE DE POIDS
Profondeurs Longueurs Puissances

du dispositif Exemples
(m) (m) (Joules)
15 60 100 Masse de 5 kg
30 120 1000 Dameuse DELMAG
50-60 240 2500 Source VAKIMPAC
> 100 480 5000 Source SOURSILE
Ces valeurs ne sont qu'indicatives, la nature des terrains superficiels jouant un rôle
primordial (Fig. 22a, b, c).
L'obtention d'un temps zéro fiable est assez délicate.
L'utilisation d'un géophone placé à 0,5 ou 1 m de la plaque de frappe est fortement
déconseillée, l'erreur sur le temps zéro pouvant être de plusieurs millisecondes.
Le plus simple est de placer un géophone à bain d'huile directement sous la plaque de
frappe.
Il est de toute façon fortement conseillé d'effectuer un calage de ce temps zéro à l'aide
d'une masse équipée d'un déclenchement type « hammerswitch » (contacteur à
mercure).
2.3.3.3. Sources non destructives de type « fusil »

Il existe des sources fonctionnant sur le principe du fusil (shotgun, betsygun, etc.).
Il s'agit généralement de faire rentrer le « canon » du fusil dans le sol à partir d'un trou
effectué à la tarière ou à la barre à mine, puis de générer une onde de choc en utilisant
une ou plusieurs cartouches à blanc.
Ces sources sont assez délicates à mettre en œuvre et ne fonctionnent bien que dans
des terrains de recouvrement ayant une bonne cohésion (terrains argileux de
préférence).
31
FIGURE 22
SOURCES NON DESTRUCTIVES DU TYPE CHUTE DE POIDS (DOCUMENTS GEODIA).
a. Dameuse Delmag. b. Vakimpac.
c. Soursile.
32
CHAPITRE 2
2.3.4. Flûtes sismiques

Les capteurs transmettent au laboratoire le signal reçu par un ensemble de conducteurs
isolés et rassemblés dans une gaine appelée « flûte sismique ».
On utilise en général plusieurs flûtes 12 traces.
L'isolation minimale entre canaux doit être de 66 db afin d'éviter tout risque
d'entraînement parasite.
À l'utilisation de connexions type pince Muller, présentant des risques de fuites et
d'entraînements électriques par temps humide, on préférera la mise en œuvre d'une
flûte équipée de connexions étanches.
2.3.5. Système de déclenchement par radio

La position de certains tirs offset peut rendre difficile voire impossible l'installation de la
ligne TB permettant de déclencher l'enregistreur ; il est alors extrêmement utile de
disposer d'un système de déclenchement par radio permettant de relayer le signal du tir
vers l'enregistreur.
33
Chapitre 3
Interprétation des résultats
XXXXXXX
A. INTERPRÉTATION GÉOPHYSIQUE
3.1. Préliminaires - Vérification de la qualité

des pointés effectués 37
3.2. Exemples de dromochroniques associées

à différents modèles géologiques 39
Partie 1
3.3. Interprétation classique 40
3.3.1. Détermination des vitesses sur la dromochronique 41
3.3.2. Détermination des valeurs d’intercept ou délais au droit des deux tirs 42
3.4. Interprétation par la méthode du « Plus-Minus » 44

3.4.1. Construction du « Plus » 44
3.4.2. Construction de la courbe Minus 46 Partie 2
3.4.3. Enseignements tirés de la courbe Minus 49
3.4.3.1. Mise en œuvre 49

3.4.3.2. Interprétation sismique 50
B. INTERPRÉTATION EN TERME DE GÉOLOGIE
3.5. Signification des vitesses sismiques, utilisation

par l’ingénieur 50
3.6. Marche à suivre 52
3.7. Recommandations 53
35
Chapitre 3.
Interprétation des résultats
XXXXXXXX
A. INTERPRÉTATION GÉOPHYSIQUE
Dans ce chapitre, on s'est limité à l'exposé des méthodes d'interprétation les plus
classiques et les plus simples qui constituent le bagage minimal de tout interprétateur.
L'annexe 4 est un prolongement théorique de l'interprétation classique qui pourra être
utile lorsque des interprétations très sophistiquées s'avèrent nécessaires. Les notions
exposées dans cette annexe se révèlent particulièrement utiles lorsque, dans une
seconde phase de l'étude, il convient de faire correspondre les résultats géophysiques
avec les reconnaissances mécaniques, et de comprendre les éventuelles discordances
qui peuvent être constatées.
En sismique réfraction, comme dans la quasi-totalité des méthodes géophysiques,
l'interprétation des mesures est d'autant plus aisée qu'on se rapproche le plus possible
des modèles théoriques habituellement utilisés.
La première partie de ce chapitre (paragraphe 3.1. Préliminaires - Vérification de la

qualité des pointés effectués à paragraphe 3.3. Interprétation classique) traite de
l'interprétation classique applicable aux modèles géologiques simples remplissant les
conditions suivantes :
1. Les vitesses des diverses couches doivent suivre une loi croissante en fonction de la
profondeur. En d'autre terme, si une couche a une vitesse Vp inférieure à la vitesse Vp-1
de la couche qui la surmonte, la couche d'ordre p ne peut pas être mise en évidence.
2. Pour qu'une couche soit mise en évidence, son épaisseur ne doit pas être trop faible
par rapport à sa profondeur.
3. On doit être en présence de couches tabulaires se rapprochant le plus possible de
plans ou de surfaces à grand rayon de courbure.
4. Ces couches doivent être homogènes et isotropes, c'est-à-dire que la vitesse
sismique doit être la même en tout point d'une couche déterminée et suivant toutes les
directions.
5. Ces couches peuvent avoir des pendages différents sans que ces pendages ne
deviennent excessifs.
36
CHAPITRE 3
La seconde partie de ce chapitre (paragraphe 3.4. Interprétation par la méthode du

« Plus-Minus » présente l'interprétation effectuée sur les bases de la théorie du « Plus-
Minus » applicable aux modèles géologiques non tabulaires présentant des
changements de faciès s'accompagnant d'une évolution des vitesses de fond.
PARTIE 1 3.1. PRÉLIMINAIRES - VÉRIFICATION

DE LA QUALITÉ DES POINTÉS EFFECTUÉS
Une fois que le report des dromochroniques correspondant au dispositif a été effectué,
un contrôle de la qualité des pointés doit être réalisé en vérifiant que les points suivants
sont bien respectés :
a - Respect du principe de l'égalité des temps réciproques

En vertu du principe du retour inverse, le temps de trajet de A vers B doit être
rigoureusement égal au temps de trajet de B vers A, à la précision des mesures de
temps près.
À titre d'exemple, le temps d'arrivée du tir en bout 1 sur le capteur 24 doit être égal au
temps d'arrivée du tir en bout 24 sur le capteur 1.
Cette règle s'applique aussi aux tirs intermédiaires : centre, ¼ et ¾.
La figure 23 illustre cette règle pour le tir au centre et les deux tirs en bout.
Temps (ms)
TBA TAB
TBC FIGURE 23
TCB
TCA PRINCIPE DE L’ÉGALITÉ DES TEMPS
TAC
RÉCIPROQUES.
A C B
Dans la pratique, on s'aperçoit que lors d'expérimentations soigneusement menées,

cette propriété se vérifie avec une très grande régularité et une grande précision.
Le non respect de cette propriété est lié :
¾ soit à un mauvais pointé lié à des pertes de phase (film trop « mou »),
¾ soit à un problème de temps zéro mal contrôlé,
¾ soit à un enfouissement important de la charge dans le terrain superficiel,
¾ soit à une topographie particulière du point de tir qui conduit à des délais très
différents entre ce dernier et le capteur proche.
37
b - La pente de l'extrémité du tir en bout doit être parallèle à celle du tir « offset » dans la
mesure bien sûr où les deux tirs ont atteint le même substratum (Fig. 24)
Temps
FIGURE 24
COHÉRENCE DES POINTÉS (a).
Distance
c - Les mêmes mouvements doivent être retrouvés sur les différents tirs (Fig. 25)
Cette propriété doit être scrupuleusement vérifiée lorsqu'on a la certitude que les
tronçons intéressés correspondent à une propagation sur le même réfracteur.
Dans le cas contraire, on doit vérifier la fiabilité des données expérimentales. Si celles-
ci sont satisfaisantes, on est en présence d'une structure très particulière qu'il est
nécessaire d'étudier et de contrôler à l'aide des autres tirs.
Temps
FIGURE 25
COHÉRENCE DES POINTÉS (b).
Distance
38
CHAPITRE 3
3.2. EXEMPLES DE DROMOCHRONIQUES

ASSOCIÉES À DIFFÉRENTS MODÈLES
GÉOLOGIQUES (Fig. 26)
FIGURE 26
DROMOCHRONIQUES ASSOCIÉES À DIFFÉRENTS MODÈLES GÉOLOGIQUES (TIRÉE DE L’OUVRAGE
« GÉOPHYSIQUE DE GISEMENT ET DE GÉNIE CIVIL », DE J.-L. MARI, G. ARENS, D. CHAPELLIER ET
P. GAUDIANI, ÉDITION TECHNIP)
t a t
Modèle à plusieurs couches Augmentation de la vitesse b
avec la profondeur
x12 x23 x34 x45

d d
V1
V2 V1 = Vo + KZ
V3
V4 V2
z V5 z
t c t
Topographie inclinée Faille
1/V2
Δt d
1/V2
d d
V1 V1
z
V2 V2
z z
t e t f
Réfracteurs inclinés Corps discordant
d d
V1 V1
V2 V2
V4
V3 V3
z z
39
Présence d'une poche de terrain lent en surface

La dromochronique est alors « parasitée » au droit de l'anomalie par la présence d'un
surdélai.
Cette anomalie de sub-surface étant placée directement sous les géophones, elle ne
sera pas affectée par un déport lié à l'angle de remontée du front d'onde, on la
retrouvera par conséquent reproduite à l'identique sur tous les tirs du dispositif (Fig. 27).
T T
ΔT
FIGURE 27
ΔT
ANOMALIE LIÉE À UNE POCHE DE TERRAIN LENT.
d
V0
V1
V2
3.3. INTERPRÉTATION CLASSIQUE

On abordera dans ce paragraphe les principes de l'interprétation utilisables dans les
cas simples d'un schéma géologique en couches tabulaires.
Cette schématisation conduit à une interprétation nécessairement sommaire des
données de sismique réfraction. Cette vision simplifiée reste cependant fondamentale
et irremplaçable. Bien que s'appuyant sur des notions très simples de géométrie plane,
elle constitue la base incontournable de tous les développements ultérieurs y compris
ceux aboutissant à des interprétations plus sophistiquées et qui seront traitées dans le
paragraphe suivant et en annexe.
Les interprétations ci-après ont pour base les notions et formules exposées au
paragraphe 1.2. Propagation dans les milieux discontinus.
L'interprétation simple repose sur seulement deux formules :
¾ La première permettant de calculer l'épaisseur des horizons sismiques à partir des
valeurs de délai (Intercept/2) :
avec Vp/Vn = sin ip,n
40
CHAPITRE 3
¾ La deuxième permettant de calculer les vitesses vraies à partir des valeurs de

vitesses apparentes directes (Vamont) et inverses (Vaval), au cosinus près de l'angle de
pendage :
2Vam .Vav
Vp =
Vam + Vav
L'exemple présenté ci-dessous résume les règles de base de l'interprétation classique

dite simplifiée (Fig. 28).
t t
TBA TAB = TBA

6500 m/s
4400 m/s
FIGURE 28
INTERPRÉTATION CLASSIQUE SIMPLIFIÉE.
1900 m/s
1500 m/s
67 ms
56 ms
42 ms
23 ms
500 m/s
500 m/s
A B
3.3.1. Détermination des vitesses

sur la dromochronique
La dromochronique de la figure 28 est « stylisée ». Les points représentatifs du temps
d'arrivée à chaque capteur ne s'alignent jamais de façon parfaite comme sur cette
dromochronique.
a - Lorsque la topographie est relativement plane et que les terrains superficiels sont
homogènes et ne présentent pas de variations brutales d'épaisseur, les points se
distribuent de façon sub-linéaire. Les droites indiquées sur la figure 28 apparaissent
assez bien comme des droites moyennes.
En présence de telles dromochroniques peu parasitées par les effets d'hétérogénéités
des terrains superficiels et semi-superficiels, on parvient assez aisément à déterminer
les vitesses :
¾ d'une part, en isolant au mieux les segments de droite qui sont la marque réfractée
des diverses couches,
¾ d'autre part, en couplant correctement les vitesses issues de deux tirs opposés pour
définir une vitesse vraie expurgée de l'effet du pendage.
b - À l'inverse lorsque le site est « chahuté » topographiquement et structuralement, les

points se distribuent sur des courbes dont il est a priori difficile de dégager des tronçons
de droite :
En présence de dromochroniques affectées de nombreuses irrégularités de forte
amplitude, on doit en premier lieu analyser soigneusement les formes des tirs « offset ».
Sur l'exemple de la figure 29, à partir des deux droites joignant les points représentatifs
des capteurs extrêmes 1 et 12 des deux tirs offset, on constate que les mêmes
anomalies se retrouvent point par point et avec des amplitudes égales sur ces deux tirs.
Ce sont donc des anomalies de surface qui se retrouvent également sur les tirs en bout.
41
1
12 Vamont
V3 Vaval
12
5900
V'3
3000
1000
V2
FIGURE 29 900
V'2
INTERPRÉTATION CLASSIQUE SUR
DROMOCHRONIQUES IRRÉGULIÈRES. V1
V'1
A B
300 500
950
4000 5m
La vérification de la concordance des anomalies permet d'affirmer que les deux droites
considérées sont représentatives des vitesses amont et aval du substratum et on peut
en déduire la vitesse vraie par la formule de la moyenne harmonique.
Si la topographie est plane, on doit affecter les anomalies à l'épaisseur de la couche
de surface.
Dans la majorité des cas, on constate que ces anomalies sont en fait des anomalies
de la topographie de surface à la faveur de laquelle la couche à 950 m/s de notre
exemple se trouve pas ou très peu affectée par ces anomalies.
Dans tous les cas où les anomalies se retrouvent point par point sur deux tirs
opposés, le toit du substratum ne présente aucune irrégularité de forme (cf. Fig. 27).
Cette dernière remarque montre qu'une soustraction des temps enregistrés sur deux
tirs opposés donne un résultat indépendant des anomalies superficielles et
éventuellement semi-profondes. Cette opération faite de proche en proche sur les
capteurs est en fait la construction de la courbe « Minus » exposée plus loin
(cf. paragraphe 3.4.2. Construction de la courbe Minus).
3.3.2. Détermination des valeurs d’intercept

ou délais au droit des deux tirs
Les vitesses étant toutes bien déterminées, on obtient le délai sismique de chaque
réfracteur par la détermination de l'intercept où ordonnée à l'origine de chaque droite.
Il apparaît donc que l'interprétation et le calcul des profondeurs suit le même processus
que dans le cas de couches parallèles.
42
CHAPITRE 3
Les vitesses vraies (au cosα près) étant calculées facilement par la moyenne
harmonique des vitesses apparentes lues directement sur le graphique, il suffit de
prendre en compte le délai de chaque couche, et de calculer de proche en proche les
diverses profondeurs, étant entendu que ce calcul doit être fait pour chacun des deux
points de tir A et B.
La dromochronique présentée en exemple (cf. Fig. 28) permet d'identifier trois vitesses :
¾ V1 = 500 m/s,
¾ V2 = 1500m/s et 1900 m/s respectivement pour les impacts A et B,
¾ V3 = 4400 m/s et 6500 m/s respectivement pour les impacts A et B.
Les délais (1/2 intercept) sont :
¾ en A : D1 = 11,5 ms et D2 = 28 ms,
¾ en B : D1 = 21 ms et D2 = 33,5 ms.
Les vitesses vraies sont au cosα près égales à :
¾ V2= 1680 m/s,
¾ V3= 5250 m/s.
On rappellera que ces vitesses sont obtenues à partir de la formule approchée :
2 1 1
= +
V2 V2am V2av
présentée dans le paragraphe 1.2.3. Cas d’un seul marqueur plan incliné.
La simple observation visuelle des pentes permet de voir le sens du pendage.

Notons que les valeurs de cosα sont égales à 1 au 1/1000 près.
Par commodité, il est recommandé pour les calculs de choisir pour unités les
millisecondes et les mètres, ce qui implique de choisir les kilomètres par seconde pour
unité de vitesse.
Calcul des épaisseurs en A
e
D1 = 1
cosi1,2 = 11,5
V
1
cosi1,2 = cos[Arcsin (V 1/V 2)] = 0,955

D 1 .V1 11,5 x 0,5
e = = = 6 mètres
1cosi1,2 0,955
e e
D = 1 cosi1,3 + 2 cosi2,3
2 V V
1 2
e e
2
cosi2,3 = D - 1
cosi1,3
V 2 V
2 1
cosi1,3 = cos[Arcsin (V /V )] = 0,995

1 3
cosi2,3 = cos[Arcsin (V /V )] = 0,947

2 3
e V 6 1,680
e = (D - 1
cosi1,3) 2
= (28 - 0,995) = 28,5 mètres
2 2 V cosi2,3 0,5 0,947
1
Le substratum à 5 250 m/s se trouve donc à 34,5 m de profondeur au droit du tir A.
43
De même, on calcule les épaisseurs en B, à partir des délais en B (21 et 33,5 ms) :
¾ e1 = 11 m,
¾ e2 = 20,6 m.
Le substratum à 5 250 m/s se trouve donc à 31,6 m de profondeur au droit du tir B.
PARTIE 2 3.4. INTERPRÉTATION PAR LA MÉTHODE

DU « PLUS-MINUS »
3.4.1. Construction du « Plus »

Important : La construction du « Plus » ne doit se faire qu'à partir de valeurs de temps de
trajet direct et inverse correspondant au déplacement de l'onde sismique au toit du même
marqueur qui est en général le substratum de l'étude.
Le « Plus » est ainsi généralement effectué sur les deux dromochroniques des tirs
« offset » pour lesquelles les temps d'arrivée correspondent bien à un déplacement de
l'onde effectué au toit du substratum sain (Fig. 30).
FIGURE 30
CONSTRUCTION DU « PLUS ».
Indique un tir
Tir offset1 Tir en bout 1 Tir au centre Tir en bout 24 Tir offset 24
O A C B P
X
e
V1
F V2 G H I
La fonction « Plus » permet de calculer la valeur du délai sismique au droit de chaque

capteur.
La valeur du Plus au droit du capteur X est égale à :
Tplus = TOX + TPX -TOP
Avec
¾ TOX : TOFGX : temps de propagation de l'onde entre le tir offset 1 et X (en ms),
¾ TPX : TPIHX : temps de propagation de l'onde entre le tir offset 24 et X (en ms),
¾ TOP : TOFIP : temps de propagation de l'onde entre les deux tirs offset O et P (en ms).
TOX et TPX sont obtenus directement sur les dromochroniques des deux tirs offset.
Le temps de trajet TOP s'obtient indirectement par le calcul TOP = TOB + TPA - TAB.
44
CHAPITRE 3
La valeur du Plus correspond donc, sur le schéma du dispositif, au triangle suivant :

Tplus =TGX + THX - TGH
V1 e
G H
V2
Le délai sismique est égal à Tplus/2, soit (TGX + THX - TGH)/2 et correspond donc à la
moitié du triangle.
Cette valeur peut être obtenue en travaillant directement sur les dromochroniques des
deux tirs offset (Fig. 31).
FIGURE 31
REPRÉSENTATION GRAPHIQUE DU « PLUS ».
Temps (ms) Temps (ms)
Tir offset (O)

Tir offset (P)
(TOX+TPX )/2
TOP/2
Délai
géophone X
O 1 5 10 15 20 24 P
Le calcul de la base TOP /2 est parfois assez délicat.

Néanmoins, un calage assez simple peut être effectué en prenant comme référence la
valeur du délai (intercept/2) obtenu au niveau des tirs en bout et du tir au centre.
On obtient ainsi le délai sismique relatif au substratum en chaque point de réception.
Dans ce délai, le poids des terrains de surface ayant des vitesses lentes peut être assez
fort. Dans la majorité des cas, on peut même affirmer que ce sont ces terrains de
surface, à l'exclusion des autres, qui déterminent les principales variations de la
fonction Plus. De ce fait, il faut rester prudent dans la corrélation du Plus avec la
profondeur du substratum.
Cette incertitude peut être en partie levée en gardant à l'esprit que les anomalies du
Plus qui correspondent également à des anomalies du Minus sont dues à des variations
d'épaisseur ou de nature des couches les plus profondes. Inversement, les variations
du Plus qui n'entraînent aucune anomalie du Minus sont dues aux terrains de surface.
45
3.4.2. Construction de la courbe Minus

La fonction Minus consiste, à partir des « offset », à déterminer graphiquement la
vitesse de fond. Cette construction est particulièrement intéressante lorsqu'on est en
présence d'un schéma qui s'éloigne notablement d'un schéma tabulaire simple et
lorsque les couches de surface ont des épaisseurs qui varient de façon aléatoire le long
du dispositif étudié.
Considérons un schéma à n couches, la vitesse de fond étant Vn, deux tirs lointains en
O et P, et des réceptions en des points tels que S sur un dispositif sismique (Fig. 32).
On suppose que le temps de propagation des ondes issues de O et P mesuré en S
correspond à un trajet réfracté totalement sur Vn. Les normales aux diverses couches,
issues de S, P et O aboutissent sur la couche Vn en σ, π, ω.
FIGURE 32
CONSTRUCTION DU MINUS (a).
O S P
ω σ π
On peut écrire :
ωσ πσ
t OS − t PS = (D o + + D s ) − (D p + + Ds )
Vn Vn
ωσ − ωπ + ωσ
t OS − t PS = D o − D p +
Vn
ωπ 2ωσ
t OS − t PS = D o − D p − +
Vn Vn
t OS − t PS ωσ
M(s) = = C ste +
2 Vn
Cette expression M(s) est la fonction Minus du point S.

Elle représente très exactement le temps de trajet par le fond, à une constante près.
Si on considère deux points de réception sur le dispositif, Sp et Sq (Fig. 33), on peut
écrire la différence des fonctions Minus M(Sp) - M(Sq). La constante s'éliminant, on
obtient :
ωσp - ωσq σpσq

M(sp) − M(sq) = =
Vn Vn
46
CHAPITRE 3
FIGURE 33
CONSTRUCTION DU MINUS (b).
Dispositif
A B
O Sp Sq P
σp
σq
Lorsque les couches ont des pendages relativement faibles, la distance σpσq est peu
différente de la distance en surface SpSq, et on peut écrire M(Sp) - M(Sq) = SpSq/Vn.
L'assimilation de σpσq à SpSq revient à dire que le cosinus de l'angle du pendage entre
la surface et la fond est égal ou très peu différent de 1.
SpSq
M(sp) − M(sq) =
Vn
Le report de la fonction Minus sur le graphique temps-distance donne par

conséquent une droite dont l'inverse de la pente est la vitesse de fond, d'un
substratum plan.
C'est à partir de cette propriété, et en faisant la construction Minus point par point, qu'on
détectera les anomalies du substratum et de sa vitesse, qui apparaîtront chaque fois
que la courbe obtenue s'éloignera d'une droite.
On démontre très facilement que la construction Minus n'est que la traduction
graphique du calcul de la moyenne harmonique (Fig. 34) :
FIGURE 34
CONSTRUCTION DU MINUS (c).
Temps Temps
Vi Vd
T2
L ΔT2
O ΔT1
T1
Tir direct Tir inverse
C D
47
Soit :
¾ Vd la vitesse du substratum sur la portion CD obtenue en tir direct,
¾ Vi la vitesse du substratum sur la portion CD obtenue en tir inverse,
¾ V la vitesse moyenne.
2 1 1
= +
V Vi Vd
L L
V = Vi =
d
ΔT2 ΔT1
1 1 ⎛ ΔT1 + ΔT2 ⎞
= ⎜ ⎟⎟
V 2 ⎜⎝ L ⎠
Comme le montre la figure ΔT1 + ΔT2 = T2 – T1

1 T2 − T1 2L
= , V=
V 2L T2 - T1
Il est donc possible en calculant T2 - T1 à chaque géophone, d'obtenir une courbe

donnant la vitesse du substratum.
Ci-après, nous donnons un exemple de construction du Minus.
Pratiquement, on porte sur le graphique de la dromochronique la différence des temps
d'offset, point par point et cela par rapport à une base zéro arbitraire. Il s'agit d'un report
de valeurs algébriques, la valeur du Minus changeant de signe par rapport à ce zéro
arbitraire lorsque les « offset » se croisent (Fig. 35).
Temps T4
Courbe de Minus
V2C
Zéro arbitraire T3
TOX - TPX
V2B
FIGURE 35 T2
REPRÉSENTATION GRAPHIQUE
DU MINUS. V2A
T1 Tir offset O
TPX
TOX
Tir offset P
0 D1 D2 D3
Distance
48
CHAPITRE 3
Le calcul des vitesses s'effectue pour chaque partie de la courbe de Minus pour laquelle
la pente est constante.
Important : La construction du Minus présentée sur la figure 35 donne des pentes
correspondant à la ½ vitesse. Il ne faut pas oublier d'appliquer un coefficient 2.
¾ V2A = 2 * D1 / (T2 - T1),
¾ V2B = 2 * (D2 - D1) / (T3 - T2),
¾ V2C = 2 * (D3 - D2) / (T4 - T3).
Pour obtenir directement la vitesse, il suffit de reporter (TOX - TPX)/2.
Rappelons que la soustraction des temps élimine sur le Minus l'effet des anomalies de
surface.
3.4.3. Enseignements tirés de la courbe Minus

On vient de voir que d'une façon très générale, la construction de la courbe Minus
permet d'obtenir graphiquement la vitesse de fond. La figure 35 illustre une des
propriétés très importantes de cette courbe. On observe que la courbe Minus fait
apparaître trois vitesses de fond différentes. Cela est l'application la plus directe et la
plus courante de la méthode Minus. Il aurait été assez délicat de mettre en évidence
une telle structure par une autre méthode que par cette méthode graphique. On pourra
se reporter à l'annexe 4 pour constater qu'il existe d'autres enseignements à tirer des
analyses relatives à la courbe Minus.
Rappel des principales recommandations

Pour aboutir à des informations stratigraphiques et structurales fiables, la mise en
œuvre et l'interprétation de la sismique réfraction doivent obéir à des règles assez
strictes. Il est illusoire de croire qu'on pourrait en faire une énumération exhaustive.
Cependant, ces règles sont dictées par un certain nombre de principes de base dont le
respect conduit à fournir les résultats les plus conformes à la réalité géologique.
3.4.3.1. Mise en œuvre

a - S'assurer que la solution du problème géologique ou géotechnique posé peut être
efficacement traitée par la sismique réfraction.
b - À partir des données et des objectifs, définir les orientations et mailles des profils.
c - Calculer à partir des hypothèses de structure et de profondeur les meilleures
longueurs des dispositifs unitaires, fixer les distances entre capteurs et la maille des
impacts.
d - Choisir (estimer ou calculer) les distances d'offset permettant de reconnaître le
substratum de l'étude.
e - Choisir, en tenant compte des contraintes d'environnement, la source sismique la
mieux adaptée au site et à la réponse énergétique des terrains (explosifs, chute de
poids, marteau léger avec sommation des signaux, etc.).
f - Faire les relevés topographiques nécessaires.
g - Après chaque tir, s'assurer que les informations sont aisément exploitables ; pour
cela, s'assurer que les paramètres des enregistrements (filtrages, amplifications,
sommations, etc.) sont corrects.
49
h - Ne pas oublier de remplir correctement les feuilles de tir et de reproduire sur les
enregistrements (papier ou support disque ou disquette) la nature et les paramètres de
chaque tir.
3.4.3.2. Interprétation sismique

a - Pointer les films (manuellement ou automatiquement) en s'attardant sur toutes les
discontinuités de temps entre deux capteurs voisins. En général, les temps évoluent
régulièrement et faiblement.
b - Les dromochroniques étant tracées, vérifier toutes les fermeture des temps.
c - Tracer les courbes « Minus » et « Plus » et les contrôler par les intercepts des points
de tir.
d - Vérifier l'égalité des délais aux points communs à deux dispositifs.
e - Sur la courbe « Plus » repérer les anomalies sûrement superficielles (faible rayon de
courbure).
f - Chercher la loi de vitesse en isolant au mieux des segments de droite sur chaque
branche de dromochronique. Ces segments de droite doivent respecter les anomalies
de surface (voir le « Plus »).
g - Étudier l'évolution de ces vitesses le long du profil : certains segments de droite
peuvent disparaître localement à la faveur de l'amincissement de certaines couches.
h - Les vitesses vraies étant calculées par la moyenne harmonique des vitesses
homologues « aller et retour », calculer les profondeurs des couches au droit des points
de tir, à partir des délais sismiques.
i - Comparer les structures obtenues avec celles mises en évidence par la courbe Minus
et à partir de cette dernière, rectifier et préciser certaines anomalies profondes.
j - Vérifier l'égalité des délais aux intersections des profils.
k - Les interprétations étant terminées, comparer les profils parallèles et voisins ; si un
profil présente une discontinuité structurale nette par rapport aux profils adjacents,
vérifier les interprétations.
B. INTERPRÉTATION EN TERME DE GÉOLOGIE
3.5. SIGNIFICATION DES VITESSES SISMIQUES,

UTILISATION PAR L'INGÉNIEUR
Lorsqu'on définit par sismique réfraction la structure d'un ensemble géologique, les
vitesses sismiques sont les paramètres qui séparent les différentes unités de cette
structure. On attend de ces vitesses qu'elles offrent des contrastes suffisants pour que
la structure apparaisse avec le maximum de finesse. Mais les vitesses sismiques ont
une fonction bien plus importante que ce simple moyen mis à notre disposition pour
définir les structures. Les ingénieurs familiarisés avec ce paramètre ont appris à le
manier avec la même aisance que d'autres paramètres géotechniques. Un ingénieur de
barrage fera la différence entre un rocher de fondation ayant une vitesse de 5 500 m/s
et un rocher ayant une vitesse de 4 000 m/s. De même, au sein d'un rocher à 5 500 m/s,
50
CHAPITRE 3
un compartiment fracturé ayant une vitesse de 3 000 m/s attirera toute son attention. On
parvient même, sur un site déterminé, à corréler des vitesses sismiques et des
perméabilités LUGEON.
Il faut signaler que dans le cas des roches, les variations de la vitesse des ondes de
cisaillement rend mieux compte des variations de la rigidité que celles des ondes de
compression.
Le tableau V donne un ordre de grandeur de la gamme des vitesses des principales
formations géologiques. On remarquera, pour les formations sans cohésion ou à
cohésion faible, la différence importante existant entre les vitesses sismiques sous
nappe et hors nappe.
La capacité de la sismique réfraction à détecter les limites entre formations dépend des
contrastes de vitesses sismiques. L'observation des valeurs du tableau V fait apparaître
que la localisation de certaines limites est très délicate, quelquefois impossible. Citons
en particulier le cas d'alluvions propres sous nappe surmontant un calcaire fracturé, ces
deux formations ayant des vitesses sismiques très proches de l'ordre de 2 000 m/s.
TABLEAU V
VITESSES SISMIQUES DES PRINCIPALES FORMATIONS GÉOLOGIQUES
Nature Vitesse des ondes de compression m/s Masse spécifique en T/m3
de la formation Hors nappe Sous nappe Hors nappe Sous nappe
Terre végétale 250-350

Éboulis 300-700 1500-2500 1,5-2 2-2,3
Sable fin 300-700 1450-1700 1,4-1,6 1,9-2
Graves 500-900 1700-2300 1,6-2,1 2-2,3
Argile 500-1400 1400-1700 1,3-1,7 1,8-2,1
Marnes 1800-2100 2100-3000 1,5-2,1 1,9-2,3
Grès 800-3000 2000-4000 1,6-1,9 2-2,2
Craie fracturée 800-1500 1700-2300 1,7-1,9 2,1-2,2
Craie saine 1800-2500 2300-3200 1,9-2,1 2,2-2,3
Calcaire fracturé 900-2000 1700-3000 2-2,2 2,2-2,5
Calcaire compact 3000-5000 3500-5000 2,3-2,4 2,4-2,5
Granite fracturé 1000-2500 2500-4500 1,8-2,1 2,1-2,3
Granite sain 4500-5500 4500-5500 2,3-2,5 2,4-2,6
Gneiss fracturé 1000-2500 2500-4500 1,9-2,2 2,2-2,5
Gneiss sain 5000-6000 5000-6000 2,3-2,6 2,5-2,7
Basalte fracturé 800-2500 2300-4500 1,7-2,1 2,1-2,3
Basalte sain 5500-6000 5500-6000 2,5-2,8 2,6-3
Quartzite fracturé 700-2500 1800-3500 1,6-2,1 2-2,3
Quartzite sain 3000-4500 3500-5000 2,3-2,4 2,4-2,5
Schiste altéré 500-2000 1700-2500 1,3-2,2 1,8-2,4
Schiste sain 2500-4500 3000-4500 2,1-2,5 2,3-2,6
Gypse 1000-3500 1,8-2,4
Glace 3500-4000 3500-4000 0,95
Nappe d'eau libre 1450-1500 1450-1500 1
51
À l'inverse, dans une même formation sans cohésion (sable, graves propres), le niveau
hydrostatique peut être localisé en raison du contraste de vitesses de part et d'autre de
ce niveau (700 contre1900 m/s).
Sur les tracés linéaires (autoroutes, lignes ferroviaires), les déblais sont étudiés par
sismique réfraction, et les moyens mis en œuvre pour les terrassements peuvent être
prévus par la connaissance des vitesses sismiques (Fig. 36). Cette dernière application
est d'autant plus performante que les géotechniciens ont pu étalonner localement ces
vitesses à l'expérience de chantiers en vraie grandeur.
FIGURE 36
TABLE CATERPILLAR POUR TRACTEUR D 9G (390 CV) AVEC DÉFONCEUSE 9B UNE DENT.
TIRÉE DE L’OUVRAGE : RECONNAISSANCE GÉOLOGIQUE ET GÉOTECHNIQUE DES TRACÉS DE ROUTES
ET AUTOROUTES ÉDITÉ PAR LE LABORATOIRE CENTRAL DES PONTS ET CHAUSSÉES EN 1982.
Vitesse sismique (m/s)

Nature des matériaux 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Limon
Moraine
ROCHES IGNÉES
Granite
Basalte
Trapp
ROCHES SÉDIMENTAIRES
Schiste
Grès
Marne
Argile
Poudingue
Brèche
Grès calcaire
Calcaire
ROCHES MÉTAMORPHIQUES
Micaschiste
Quartzite
Gneiss
Ardoise
MINERAIS
Minerais de fer
Charbon
Défonçable (1 tracteur) Marginal ou défonçable Défonçable seulement

par 2 tracteurs en tandem après tirs d'ébranlement
3.6. MARCHE À SUIVRE

La marche à suivre pour fournir au maître d'œuvre des indications lithologiques en
termes de géologie passe toujours par deux phases dont l'importance dépend du type
de résultats demandés.
a - Étude préliminaire pour caractériser un site avec des moyens légers excluant à court
terme des reconnaissances mécaniques
Les résultats sismiques doivent être confrontés avec tous les éléments géologiques
collectés sur place ou sur cartes et avec les connaissances tirées de prospections de
52
CHAPITRE 3
même type dans des sites comparables. Sans aucun forage d'étalonnage, mais avec
des réfracteurs sismiques bien caractérisés et une géologie générale simple et bien
connue, l'interprétation géologique consiste en une détermination correcte des
profondeurs dont la précision est en général assez bonne.
b - Étude sismique suivie de forages d'étalonnage

Une première interprétation purement sismique est effectuée et les résultats remis au
maître d'œuvre avec, à sa demande, des observations géologiques comme indiqué en
a). Les conclusions de cette phase de l'étude doivent comporter des recommandations
sur le positionnement des forages de reconnaissance.
Une réinterprétation est faite ensuite, les forages de reconnaissance permettant de
mettre un nom géologique sur les couches sismiques et comparant en terme de
profondeur forages et limites sismiques. Un réexamen des dromochroniques doit être
entrepris en particulier dans les zones où des écarts importants, supérieurs à la marge
d'erreur admissible, sont constatés.
Pour cela, les courbes minus doivent être réétudiées, analysées plus finement en
faisant appel aux notions indiquées dans l'annexe 4 de cet ouvrage. De même, le calcul
des profondeurs peut être affiné en tenant compte de couches éventuellement cachées
par manque de contrastes sismiques ou épaisseurs trop faibles.
Le document finalement remis ne doit en aucun cas « gommer » un écart sismique-
forage inexplicable et ininterprétable. En effet, un forage peut détecter très localement
une petite anomalie lithologique, invisible en sismique, dont la prise en compte
éventuelle altérerait une structure par ailleurs bien définie.
3.7. RECOMMANDATIONS
L'interprétation géologique est très souvent délicate, car elle doit être faite par un
géologue bien au fait du degré de liberté que lui offrent les résultats de l'interprétation
sismique. La correspondance entre les faciès géologiques et les horizons sismiques
n'est pas toujours évidente.
Il est fortement conseillé de caler l'interprétation finale à l'aide de sondages mécaniques
d'étalonnage qui seront judicieusement positionnés sur la base des résultats des
premières coupes sismiques interprétées.
Les corrélations entre horizons sismiques et faciès géologiques seront effectuées sur la
base des résultats de ces sondages.
Nous recommandons aux donneurs d'ordre de prévoir le plus souvent possible
un budget de réinterprétation des coupes sismiques, afin de laisser au géo-
physicien la possibilité de recaler son interprétation sur la base de toutes les
informations complémentaires que peut lui apporter la campagne de sondages.
53
Chapitre 4
Applications - Cas concrets
XXXXXXX
4.1. Exemple d’interprétation par la méthode

du « Plus-Minus » 56
4.2. Autoroute A 43 - Lac du Viviers 59
4.3. Nouveau tunnel du col de Tende 63
55
Chapitre 4.
Applications - Cas concrets
XXXXXXXX
4.1.EXEMPLE D'INTERPRÉTATION
PAR LA MÉTHODE DU « PLUS-MINUS »
Ce paragraphe permet de se familiariser avec l'interprétation « Plus-Minus » sur un
dispositif sismique 24 traces, 5 tirs.
Le tableau VI donne l'ensemble des temps de premières arrivées enregistrés.
TABLEAU VI
VALEUR DES TEMPS DE PREMIÈRE ARRIVÉE
Récepteur Offset 1 Bout 1 Offset 24 Bout 24 Centre (TOX + TPX)/2 ( T O X - T P X ) / 2

TOX TAX TPX TBX TCX
1 54 4 127 102 61 90,5 -36,5

2 61 30 126 102 60 93,5 -32,5
3 64 38 125 99 58 94,5 -30,5
4 67 41 120 95 54 93,5 -26,5
5 67 41 114 89 49 90,5 -23,5
6 77 51 119 93 53 98 -21
7 81 54 114 89 50 97,5 -16,5
8 82 55 109 85 45 95,5 -13,5
9 89 61 110 87 47 99,5 -10,5
10 89 60 104 80 40 96,5 -7,5
11 88 62 100 76 30 94 -6
12 87 59 94 70 11 90,5 -3,5
13 90 62 91 68 15 90,5 -0,5
14 90 65 87 64 27 88,5 1,5
15 101 75 93 69 42 97 4
16 101 75 89 66 44 95 6
17 105 79 89 65 48 97 8
18 102 77 80 57 44 91 11
19 104 80 80 56 47 92 12
20 107 82 79 54 50 93 14
21 112 87 80 55 55 96 16
22 115 91 78 52 58 96,5 18,5
23 115 92 74 35 59 94,5 20,5
24 121 98 73 5 64 97 24
56
CHAPITRE 4
Les valeurs portées en caractères gras dans les deux dernières colonnes permettent de
construire les deux courbes de « Plus » et de « Minus ».
L'avant dernière colonne correspond au temps duquel il faudra retrancher TOP/2 pour
obtenir le Plus/2 qui correspond au délai calculé au droit de chaque capteur.
La dernière colonne permet de reconstituer la courbe du « Minus » à partir de
(TOX - TPX)/2. On rappellera que la vitesse de fond s'obtient soit directement en reportant
la demi-différence (TOX -TPX)/2, soit en multipliant par deux la vitesse obtenue par la
simple différence TOX -TPX.
Les dromochroniques correspondant à ce dispositif sont représentées sur la figure 37.
La figure 38 présente le résultat de l'interprétation de ces dromochroniques par la
méthode du « Plus-Minus ».
Les deux courbes permettant le calcul du délai (Plus/2) sont en rouge, et la courbe
donnant les vitesses de fond (Minus) est portée en orange.
Temps (ms)
160
120
FIGURE 37
80
DOMOCHRONIQUES ASSOCIÉES AUX VALEURS
DE POINTÉS DU TABLEAU VI.
40
0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
A C B
Temps (ms)
200
160 4200 m/s
TPA
3100 m/s
TOB FIGURE 38
120 EXEMPLE D’INTERPRÉTATION PAR LA MÉTHODE
TBA TAB DU « PLUS-MINUS ».
D1 D24
80 D12-13
40
0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
A C B
57
La base du « Plus » ou TOP /2 = (TOB + TPA - TAB)/2 .

TOB = temps d'arrivée du tir offset 1 sur le capteur 24 = 121 ms,
TPA = temps d'arrivée du tir offset 24 sur le capteur 1 = 127 ms.
En vertu de la règle des temps réciproques selon laquelle TAB = TBA on prendra la
moyenne de ces deux temps = (98 + 102)/2 = 100 ms.
Ce qui nous donne finalement TAE/2 = (121 + 127 + 100) = 74 ms.
La valeur du délai au droit du capteur 1 = 90,5 - 74 = 16,5 ms.
La valeur du délai au droit du capteur 24 = 97 - 74 = 23 ms.
On notera que ces valeurs de délai correspondent bien à la valeur de l'intercept/2
obtenue au droit de ces deux tirs.
Une des techniques simples pour obtenir la valeur de l'intercept au droit des tirs en bout
consiste à dessiner à l'aide d'un compas le prolongement fictif de la dromochronique en
reproduisant la forme du tir offset jusqu'au droit du tir.
La courbe du « Minus » nous donne deux vitesses de fond bien différenciées :
¾ 3 100 m/s sous les capteurs 1 à 10,
¾ 4 200 m/s sous les capteurs 11 à 24.
Cette faible vitesse de 3 100 m/s peut s'expliquer de plusieurs façons :
¾ changement de faciès géologique : passage par exemple d'un calcaire sain à
4 200 m/s à un calcaire plus marneux à 3 100 m/s,
¾ fracturation plus importante de la même formation géologique,
¾ présence d'une surépaisseur d'altération au toit du substratum entraînant un
plongement rapide du 4 200 m/s.
La figure 39 présente la coupe interprétative correspondant à ce dispositif.
FIGURE 39
COUPE INTERPRÉTATIVE.
200 Nord Sud

400
700 600-700 24
350-400 1500
700-800
400 12 13
150 1500
1 4200
2100
3100
100 ?
La sismique réfraction a donc permis de mettre en évidence :

¾ les secteurs de faible recouvrement caractérisés par les délais les plus faibles,
¾ les secteurs de rocher sain caractérisés par les vitesses de fond élevées,
¾ les secteurs où le substratum présente de faibles vitesses de fond.
58
CHAPITRE 4
L'interprétation en terme de géologie se fera après réalisation de quelques sondages

mécaniques d'étalonnage qui permettront, d'une part de caler précisément la position
du toit des différents horizons, et d'autre part d'identifier le substratum présentant des
vitesses plus faibles.
4.2. AUTOROUTE A 43 - LAC DU VIVIERS

Cette étude par sismique réfraction marine s'est effectuée dans le cadre des
reconnaissances relatives au projet du tunnel d'Hurtières situé près d'Aiguebelle.
Le tunnel passant à proximité d'un plan d'eau (lac du Viviers), il était important de
vérifier qu'il ne pouvait pas y avoir de risques de fuites pouvant perturber l'avancement
du creusement (Fig. 40).
L'objectif principal était donc de caractériser la position du toit du substratum afin :
¾ de déterminer l'épaisseur de tourbe constituant le fond du lac,
¾ de préciser l'épaisseur de recouvrement au toit du tunnel,
¾ de contrôler qu'aucune discontinuité géologique n'affectait la continuité du
substratum rocheux.
FIGURE 40
LAC DU VIVIERS - PLAN DE PRINCIPE.
Lac
1
12
4
6 9 Projet de tunnel
Substratum rocheux
Tourbe
Programme
Six dispositifs de 120 m, vingt-quatre traces ont été réalisés (cf. plan de position des
profils, Fig. 41).
Quatre tirs ont été effectués pour chaque dispositif : deux en bout et deux en offset à
des distances assez courtes compte tenu de la topographie du site.
Le tir au centre n'a pas été effectué afin de préserver la faune et la flore du lac.
Les flûtes sismiques étaient posées directement sur le fond du lac afin :
¾ d'améliorer le rapport signal/bruit,
¾ d'éviter l'imprécision que pourrait engendrer des vases ayant des vitesses proches
voire inférieures à celle de l’eau (1500m/s).
59
FIGURE 41
LAC DU VIVIERS - PLAN DE POSITION DES PROFILS.
Matériel
¾ Hydrophones MP 24 Mark Products, 10 Hz.
¾ Enregistreur Geometrics Strataview.
¾ Source non destructive de type chute de poids Delmag pour les tirs offset et en bout
effectués à terre.
Interprétation
L'interprétation s'est faite par la méthode du « Plus - Minus ».
La valeur du délai ou « Plus/2 » a été calculée au droit de chaque capteur.
La carte des délais ainsi obtenue est représentée sur la figure 42.
FIGURE 42
LAC DU VIVIERS - CARTE DES DÉLAIS.
60
CHAPITRE 4
Cette carte met en évidence un surcreusement du toit du substratum dont l'axe est
matérialisé par la figuration en grisé des délais supérieurs à 40 millisecondes.
On remarquera que ce sillon, qui semble au premier abord suivre l'axe du lac, effectue
en fait un « S » en évitant les deux extrémités de la retenue.
Le passage des valeurs de délais aux profondeurs nécessitait de connaître la vitesse
moyenne de déplacement des ondes sismiques dans la tourbe constituant l'horizon
intermédiaire entre le toit du substratum rocheux et le fond du lac.
Cette vitesse a été obtenue grâce à la corrélation entre la carte des délais et les
résultats de quatre pénétromètres effectués dans la retenue.
Alors que l'on pouvait raisonnablement s'attendre à une valeur au moins égale à celle
correspondant à la vitesse de déplacement d'une onde sismique dans l'eau (1 500 m/s),
la corrélation nous a systématiquement donné une valeur beaucoup plus faible égale à
500 mètres par seconde.
À titre d'exemple le pénétromètre TIP3 qui a trouvé le toit du rocher à 20 m, est implanté
à proximité de la courbe d'isovaleur de délais de 40 millisecondes.
Cette faible vitesse a finalement pu s'expliquer par la teneur en gaz de décomposition
de la tourbe qui est un matériau fortement organique.
Une étude réalisée par Bonnet et Meyer en 1988 a d'ailleurs montré que les vitesses de
déplacement des ondes longitudinales sont très sensibles à la teneur en gaz des sols.
Une estimation théorique à partir du modèle de Biot montre qu'il suffit d'une très faible
teneur en gaz pour faire chuter la vitesse des ondes sismiques dans un milieu sous
nappe à 350 mètres par seconde.
L'ensemble des coupes interprétatives a donc été élaboré à partir de cette vitesse de
500 m/s.
La figure 43 présente les coupes des profils 5 et 6.
On notera la présence du surcreusement mis en évidence sous le centre du profil 6.
La profondeur donnée est une profondeur minimale compte tenu des limites de la
sismique qui suit les lois de l'optique.
Cette limitation est illustrée par la figure 44, où la zone « d'ombre » est fixée par la
distance minimale entre les capteurs et le rocher présent latéralement.
Pour des profondeurs supérieures à celles définies par l'arc de cercle, l'arrivée première
arrivera directement par la tourbe.
Conclusions
Cette étude par sismique réfraction a permis de mettre en évidence un surcreusement
du toit du substratum situé sous l'emprise du lac du Viviers.
L'axe de ce surcreusement a pu être suivi précisément grâce à l'établissement de la
carte des délais (calcul du « Plus »).
Le calcul du « Minus » a permis d'identifier un substratum caractérisé par des vitesses
évoluant entre 3 400 et 4 000 m/s. Cette fourchette de valeur est probablement liée à
l'anisotropie du massif donnant des vitesses de 3 400 m/s suivant l'axe Est Ouest et
4 000 m/s suivant l'axe Nord Sud.
On notera que la réalisation des pénétromètres d'étalonnage a permis d'éviter une
grosse erreur d'interprétation lors de l'établissement de la coupe interprétative en
vitesses et profondeurs, cela en permettant d'affecter à la tourbe des vitesses
particulièrement faibles de 500 mètres par seconde.
61
Profil 5
P6
Est Ouest
(10) (15) (22) (26) (28) (34) (30) (26) (27) (15) (12)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0 Fond du lac
Tourbe
10 500 m/s
20 Substratum
FIGURE 43
LAC DU VIVIERS - 30 3400 m/s
COUPES INTERPRÉTATIVES. (10) : Délai (m/s)
40
Profondeur (m) 1 : Numéro d'hydrophone
Profil 6
P5
Nord Sud
(10) (14) (19) (26) (41) (36) (17) (17) (17)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
10 Tourbe
500 m/s
20
Substratum 4000 m/s
30
40 Profondeur minimale
Profondeur (m)
Distance minimale définie par

l'arc de cercle de rayon d
FIGURE 44 Tourbe
d d
LIMITE D’INVESTIGATION LIÉE
AUX LOIS DE L’OPTIQUE.
Rocher
Zone d'ombre
62
CHAPITRE 4
On rappellera à cette occasion qu'il est fortement recommandé de prévoir une

reconnaissance complémentaire par un ou plusieurs sondages mécaniques afin de
valider les hypothèses d'interprétations prises par le géophysicien.
Les résultats de ces sondages serviront de support à l'interprétation en termes
géologiques, et permettront ainsi d'établir des corrélations fiables entre horizons
sismiques et faciès géologiques.
4.3. NOUVEAU TUNNEL DU COL DE TENDE

Cette étude s'est effectuée dans le cadre du programme des reconnaissances relatives
à une des variantes possibles du nouveau tunnel du Col de Tende situé dans les Alpes-
Maritimes.
Cette reconnaissance a été réalisée en deux phases :
Une première phase d'étude par sismique réfraction dont l'objectif était d'étudier les
épaisseurs et les vitesses des différents horizons sismiques situés au niveau de la tête
d'entrée du versant Sud.
Une deuxième phase de reconnaissance par quatre sondages carottés implantés sur la
base des résultats de la sismique. Des mesures microsismiques ainsi que deux cross-
holes ont été effectués dans ces sondages afin de caler l'interprétation sismique.
Programme des reconnaissances sismiques

Quatre profils ont été réalisés, dont le plus long TDS4 d'une longueur de 400 m a été
implanté suivant l'axe du projet (Fig. 45). L'intertrace ou distance entre capteurs était de
10 mètres.
FIGURE 45
TUNNEL DE TENDE -
PLAN DE POSITION DU PROFIL TDS4.
63
Matériel
Géophones SM4 10 Hz Sensor.
Enregistreur Geometrics Strataview.
Source : explosif.
Interprétation
La figure 46 présente le résultat de l'interprétation de TDS4 par la méthode du « Plus-
Minus ».
La courbe donnant la valeur du délai (Plus/2) est en rouge, et la courbe donnant les
vitesses de fond est en orange (Minus).
FIGURE 46
TUNNEL DE TENDE - INTERPRÉTATION PAR LA MÉTHODE DU « PLUS-MINUS ».
Temps (ms)
240
0
420
0
200 420
00
32
4500
160
0
360
0 > 600
Tir offset 1
120
D22
D41
80
40
Tir offset 41
0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41
On notera que la courbe du Plus met en évidence des valeurs de délais très élevées
dans la partie centrale du profil, avec plus de 30 ms entre les capteurs 15 et 30. Ces
surdélais sont liés à la présence d'un plongement important du substratum.
Ce plongement s'accompagne d'une surépaisseur de terrains présentant des vitesses
intermédiaires de 2 000 à 2 400 mètres par seconde.
La courbe de Minus est quant à elle très chahutée et met en évidence des vitesses de
fond qui semblent évoluer très rapidement dans une fourchette allant de 3 200 à
6 000 mètres par seconde.
64
CHAPITRE 4
On notera en particulier :
¾ La présence entre les capteurs 7 et 15 d'une vitesse anormalement élevée de
6 000 m/s vraisemblablement liée, comme cela est décrit en annexe 4 à une forme en
dos d'âne du substratum.
¾ La présence d'une vitesse de fond élevée de 4 500 m/s entre les capteurs 15 et 21.
¾ La présence d'une vitesse de fond plus faible de 3 200 m/s entre les capteurs 21 et
29, correspondant d'ailleurs au secteur où la courbe de délai présente des valeurs de
plus de 30 millisecondes.
¾ La présence en fin de profil de vitesses plus élevées de 4 200 m/s correspondant au
secteur où la courbe de délai remonte très rapidement pour revenir à des valeurs
évoluant entre 10 et 15 millisecondes.
Quatre sondages carottés ont été implantés sur la base de la courbe du Plus afin
d'identifier les causes de la présence d'importants délais dans la partie centrale du
dispositif, et de caractériser les changements de vitesses de fond.
La coupe interprétative du dispositif obtenue après corrélation avec les quatre
sondages est présentée sur la figure 47.
FIGURE 47
TUNNEL DE TENDE : COUPE INTERPRÉTATIVE.
40
Altitude
1320 750
00
25
35 4200
SC 1
1280 30
25 00
-10
SC 2 500 Calcschistes
20 900 Argile
0-1
1240 SC 3 140 4200
15
2000-2400
10 0
-160
1200 5 SC 4 1500 Argile
1 compacte
3000-3200 ?
-2300
2100 3500-40
00
1160 3600 4500-5000 ?
Gypse 4500
Gypse
?
0 10 20 30 40
On notera que les sondages ont confirmé la présence d'un plongement rapide du
substratum sous le centre du dispositif.
La géométrie de ce surcreusement est impossible à déterminer avec précision compte
tenu des limites des lois de l'optique ; on se retrouve en effet avec une zone
« d'ombre » située sous les capteurs 20 à 30, correspondant à la distance pendant
laquelle les vitesses de fond sont faibles et égales à 3 200 m/s. Compte tenu des
résultats de SC2 qui n'a rencontré que de l'argile ocre avec alternance de dolomie et
65
cargneule, et cela jusqu'à 80 m de profondeur, il est fort probable que ces vitesses de
3 000-3 200 m/s ne correspondent en fait qu'aux argiles ocres avec blocs s'étant
fortement compactées, compte tenu des fortes épaisseurs de recouvrement.
Le substratum à 4 500-5 000 m/s présent sous les capteurs 4 à 20 a été identifié par
SC3 et SC4 comme étant du gypse et anhydrite blanc-gris. On notera que le toit de ce
gypse s'approfondit à l'inverse de la topo qui elle remonte rapidement.
Cette « remontée » des gypses explique les vitesses de fond anormalement élevées de
6 000 m/s observées sous les capteurs 7 à 15 (forme en dos d'âne).
Les résultats des mesures microsismiques réalisées dans SC4 nous ont permis de
préciser l'évolution des vitesses dans la frange altérée et fracturée de ce substratum
gypseux avec des vitesses de 3 500-4 000 m/s entre 13 et 14 m, évoluant ensuite entre
500 m/s entre 14 et 19 m.
Les résultats du cross-hole réalisé à partir de SC3 sont en parfaite corrélation avec la
coupe sismique initiale, avec du 650 m/s à 3m, du 1 000 m/s à 6 m, du 1 300-1 400 m/s
à 9 et 12 m, du 1 600-1 700 m/s à 15 et 18 m, et des valeurs évoluant entre 1 700 et
2 300 m/s entre 20 et 30 m soit au niveau de la sur-épaisseur de terrains à 2 000-
2 400 m/s mise en évidence par la réfraction.
Le substratum présentant des vitesses de 4 200 m/s en fin de profil a pu être identifié
par le sondage SC1 comme étant des calcschistes rubanés et très plissés.
Conclusions
Cette étude aura permis :
¾ d'identifier un important surcreusement du substratum situé juste au niveau du
secteur où était projeté la réalisation de la tête d'entrée Sud du nouveau tunnel,
¾ d'identifier la présence d'un important môle d'anhydrite qui avait d'ailleurs déjà été
rencontré lors de la réalisation du tunnel actuel.
66
CONCLUSIONS
XXXXXXX
La sismique réfraction est un outil particulièrement efficace utilisée dans le cadre de

nombreux projets de génie civil, de prospection minière, d'hydrogéologie, d'envi-
ronnement ou d'archéologie.
Sa rapidité de mise en œuvre et son coût raisonnable en font un outil indispensable à
l'optimisation d'un programme de reconnaissance, en permettant en particulier aux
maîtres d'œuvre d'optimiser le nombre et la position des sondages mécaniques.
On l'utilisera en génie civil pour résoudre deux types de problèmes :
¾ Cartographier l'évolution de la position du toit du substratum au droit du profil réalisé,
mais aussi le caractériser en terme de vitesses de déplacement des ondes afin de
repérer d'éventuels changements de faciès ou accidents géologiques en perturbant la
continuité. Cette information sera particulièrement recherchée dans le cadre de
l'implantation d'ouvrages d'art souterrains types stockages ou tunnels, ainsi que dans le
cadre des ouvrages fondés aux rochers types barrages ou centrales nucléaires.
¾ Caractériser la vitesse des terrains de recouvrement afin d'estimer le degré de
rippabilité des sols. En effet, les moyens à mettre en œuvre pour les terrassements
peuvent être définis par la connaissance des vitesses sismiques. Cette dernière
application est d'autant plus performante que les géotechniciens ont pu étalonner
localement ces vitesses à l'expérience de chantiers en vraie grandeur. On utilisera donc
cette information dans le cadre des chantiers impliquant la réalisation d'importants
déblais types routes, voies ferrées ou dragages portuaires.
On l'appliquera en hydrogéologie pour la recherche de niveaux de nappe au sein des
terrains sédimentaires, ou pour la recherche de zones fracturées pouvant servir de
réservoirs potentiels.
Son application en association avec d'autres techniques est en pleine expansion dans
le domaine de l'environnement où la prévention des risques de type glissement de
terrains, effondrements de cavités ou pollution des sols est un enjeu majeur pour les
années à venir.
La sismique réfraction peut aussi servir à caractériser les modules d'élasticité
dynamique des sols. La connaissance des vitesses d'onde P et d'ondes S permet en
effet de calculer le coefficient de Poisson, ainsi que les modules de compression et de
cisaillement des sols (cf. annexe 2).
Cependant, la réussite d'une prospection par sismique réfraction dépendra beaucoup
du soin qui aura été apporté au choix du matériel utilisé, à la réalisation des mesures et
à leur interprétation. Le maintien d'un bon niveau de prestations dans un environnement
où le prix est malheureusement de plus en plus souvent le premier argument retenu
pour la sélection des prestataires, on ne saurait trop recommander aussi bien aux
praticiens qu'aux donneurs d'ordres de faire effectuer un contrôle de qualité à tous les
échelons de l'étude.
67
BIBLIOGRAPHIE
XXXXXXX
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68
Annexes
XXXXXXX
ANNEXE 1 - Bloc sismique 71
ANNEXE 2 - Mesures in situ des paramètres

dynamiques du sol 74
ANNEXE 3 - La sismique aquatique 77
ANNEXE 4 - Compléments sur l’interprétation

des dispositifs sismiques 81
69
ANNEXE 1
ANNEXE 1
BLOC SISMIQUE
Introduction
Cette annexe a pour objectif de faire connaître les possibilités du procédé d'étude par bloc
sismique appelé SISMOBLOC-CPGF ® développé par la Compagnie de Prospection
Géophysique Française dans les années 1970.
L'objectif était d'obtenir au moindre coût le maximum d'informations sur une zone à étudier, cela
en exploitant les possibilités de la sismique réfraction sur la base d'une prospection
tridimensionnelle.
Cette méthode est une généralisation de la méthode des tirs en éventail avec multiplication des
tirs hors du champ des capteurs et interprétation automatique des résultats. Il est
particulièrement recommandé de l'utiliser lorsque plusieurs dispositifs conventionnels proches
les uns des autres sont implantés sur des sites où le rendement des tirs en ligne s'avère
aléatoire. En particulier, dans les pays chauds à forte altération latéritique sablo-argileuse, les
tirs « offset » d'un dispositif de 120 ou 240 m nécessitent dans une telle formation des charges
de l'ordre de 10 à 20 kg de dynamite, quelquefois plus. En revanche, le rocher affleurant dans
les fonds des cours d'eau, on choisit d'y effectuer des tirs partout ou cela est possible avec un
rendement excellent moyennant des charges très faibles de 100 ou 200 g d'explosifs. Ces tirs
n'étant pas dans l'alignement des capteurs, on met en œuvre les interprétations automatiques
du SISMOBLOC-CPGF ®, ou une interprétation basée sur les mêmes principes.
Mise en œuvre
La mise en œuvre consiste à implanter plusieurs capteurs régulièrement (ou irrégulièrement)
espacés suivant deux directions perpendiculaires, et à réaliser deux tirs O et P situés nettement
à l'extérieur de la zone d'implantation des capteurs et qui jouent un rôle comparable à celui des
tirs « offset » des dispositifs conventionnels .
Les interprétations du SISMOBLOC sont considérablement valorisées par l'exécution de
quelques tirs à l'intérieur de la surface à reconnaître.
Les données suivantes doivent être acquises (Fig. 48) :
¾ Coordonnées des points de tirs (x0,y0,z0) (xp, yp, zp).
¾ Coordonnées de tous les capteurs (xi,yi,zi).
¾ Temps de parcours entre les points de tir O et P.
¾ Délais en O et en P.
¾ Temps de première arrivée aux capteurs à partir du tir O.
¾ Temps de première arrivée aux capteurs à partir du tir P.
Les délais en O et P sont très peu différents des temps de remontée de l'onde sismique du
substratum aux points O et P.
>
71
ANNEXE 1
y
ω
Ay
FIGURE 48 (xi, yi, zi)

MISE EN OEUVRE Ax
P (xp, yp, zp)
« SISMOBLOC - CPGF ».
O (xo, yo, zo) Géophone

x
Interprétation
L'objectif de cette annexe n'étant pas de détailler le processus d'interprétation par ailleurs
breveté, nous en traçons ici les grandes lignes.
Le rayon sismique allant du point de tir O (ou P) à un capteur M du bloc suit un chemin obtenu
de la manière suivante (Fig. 49) :
a - on trace une perpendiculaire des points O (ou P) à la surface du substratum, ω (ou π) étant le
pied de cette normale,
b - on fait la même chose à partir du point M, μ étant le pied de cette normale.
Dans une première approximation, on suppose que le chemin sismique entre le point de tir O
(ou P) et le capteur M est le chemin OωμM (ou PπμM).
L'exploitation des temps d'arrivée par un procédé d'interprétation dérivé de la méthode du
« Plus-Minus » permet de calculer :
¾ la répartition des vitesses de fond,
¾ la valeur du délai au droit de chaque capteur,
¾ les vitesses de surface,
¾ la cote du substratum.
FIGURE 49
SCHÉMA DE PRINCIPE « SISMOBLOC - CPGF ».
N M
W
O
W P1
O1 P
ν O2 P2 W
μ
ω
S S
S
π
>
72
ANNEXE 1
ANNEXE 1
Les données connues étant introduites et plusieurs hypothèses de vitesses intermédiaires étant
données par l'utilisateur, le processus d'interprétation pourrait se résumer par les points
suivants :
1 - Un premier calcul de la vitesse de fond est effectué en supposant que les distances entre les
pieds de normale sont équivalentes aux distances entre les points du bloc situés en surface (i.e.
ωμ = OM).
2 - À partir de cette estimation, il est possible de calculer les délais en tout point du bloc.
3 - La corrélation du résiduel sur la topographie avec le résiduel sur les délais permet d'en
déduire une vitesse de surface.
4 - On examine ensuite une à une les hypothèses de l'utilisateur sur les vitesses intermédiaires.
5 - À chaque hypothèse de vitesse intermédiaire correspond un schéma du substratum (carte du
toit du substratum), obtenu par le calcul des longueurs des normales à ce substratum.
6 - Il est alors possible, à partir de cette carte et des diverses hypothèses de vitesses
intermédiaires de lancer une inversion dont le processus itératif se fait sur le cycle : calcul des
vitesses de fond - calcul des délais - calcul des vitesses de surface - calcul de la cote du
substratum.
Résultats
L'exploitation du SISMOBLOC-CPGF permet donc d'obtenir les cartes suivantes :
¾ Cartes des vitesses de fond, des vitesses de surface et des vitesses intermédiaires.
¾ Cartes des épaisseurs correspondantes.
¾ Carte des délais.
¾ Carte du toit du substratum.
73
ANNEXE 2
MESURES IN SITU
DES PARAMÈTRES DYNAMIQUES DU SOL
Le principe de base de la théorie de l'élasticité infère que dans un solide homogène et isotrope
les déformations sont proportionnelles aux déplacements lorsque ceux-ci tendent vers zéro. En
sismique, les contraintes et les déformations sont très faibles, et les modules que l’on détermine
par cette méthode sont assimilables aux modules élastiques. En cela ils sont très différents des
modules statiques issus d'essais de laboratoire en mécanique des roches.
Les contraintes de cisaillement se propagent à une vitesse dite vitesse des ondes de
cisaillement Vs (ou vitesse transversale), les contraintes de compression se transmettent à une
vitesse dite vitesse des ondes de compression Vp (ou vitesse longitudinale).
La connaissance de la vitesse de déplacement de ces deux types d'ondes permet de calculer les
modules dynamiques des sols par les formules suivantes :
Coefficient de Poisson : ν = (VP2 - 2VS2)/2.(VP2 - VS2)
Module d'Young : E = 2ρ. VS2.(1 + ν)
Module de cisaillement : G = ρ. VS2
où ρ est la masse volumique.
Il importe pour déterminer ces modules de créer ces deux types d'ondes par application de
contraintes qui privilégient l'un ou l'autre type d'onde, ce qui confère une importance
fondamentale à la nature de la source de l'ébranlement.
Avant d'aborder la mise en œuvre, rappelons qu'à toute surface de discontinuité, une onde
propre (purement longitudinale, ou purement transversale) se réfracte en créant une onde
longitudinale et une onde transversale qui se propagent ensuite suivant leur propre mode.
Cette propriété implique que les essais doivent être réalisés sur des bases très courtes, au sein
d'un solide supposé alors homogène et isotrope, ce qui permet par ailleurs de privilégier le mode
de création de l'ébranlement au détriment de l'énergie transmise.
Mise en œuvre
On distingue deux types d'essais : les essais de surface et les mesures entre deux forages.
Mesures à partir de la surface

a - Dispositifs conventionnels
Le dispositif d'acquisition mis en place est très proche d'un dispositif classique de sismique
réfraction, la seule différence est liée à l'utilisation de capteurs tridirectionnels permettant
d'analyser plus facilement les trois signaux ; selon l'angle d'attaque de l'ébranlement par rapport
à l'orientation des bobines de l'unité tridirectionnelle, l'un des capteurs réagira préfé-
rentiellement, soit à l'effort de cisaillement, soit à l'effort de compression.
On conseillera aussi d'utiliser une source classique type explosif ou chute de poids pour générer
préférentiellement des ondes de compression (ondes P), et une source permettant de cisailler le
terrain pour les ondes S.
La source S la plus simple, et souvent la plus efficace, consiste à placer horizontalement un
madrier sous les roues d'un véhicule afin d'assurer un couplage optimal avec le sol. On utilise
>
74
ANNEXE 2
ANNEXE 2
généralement ce dispositif pour générer un cisaillement horizontal en frappant latéralement sur

un bord vertical du madrier.
Pointé de l'onde de cisaillement et valeurs de Vs
Pour donner un ordre de grandeur, on peut admettre en première approximation que les rapports
Vp/Vs varient de 1,6 à 3 environ lorsque Vp passe de 6000 m/s à 800 m/s, ce qui correspond à
des coefficients de Poisson variant de 0,18 à 0,4 environ.
Il convient cependant de ne pas rejeter a priori certaines valeurs qui pourraient paraître
anormales. On citera en particulier la valeur de ν = 0,1 pour les formations finement litées.
À l'autre extrémité de l'échelle, on trouve des valeurs de 0,42 à 0,48 (se rapprochant de la limite
théorique de 0,50) pour certains terrains très peu consistants : tourbes, argiles molles.
Lorsque l'énergie portée par les signaux est suffisante, le pointé de l'onde de cisaillement est
assez aisé quand le point d'émission est loin du point de réception car les deux trains d'ondes
ont le temps de se séparer et apparaissent bien individualisés. Le problème est un peu plus
complexe quand les distances sont courtes car l'onde transversale qui est la plus tardive est
encore mêlée à la vibration longitudinale.
On conseillera pour optimiser le pointé de mettre en œuvre une source permettant :
¾ de privilégier les efforts de cisaillement afin d'avoir une amplitude en S la plus énergétique
possible,
¾ d'utiliser le principe de polarisation de l'onde S selon lequel le signal s'inverse quand on
inverse le sens de frappe. L'onde de compression n'étant pas soumise à l'inversion, la
superposition des signaux permet de pointer le départ de l'onde S au moment où commence le
phénomène d'inversion (opposition de phase).
b - Certaines nouvelles méthodes basées sur l’analyse de la courbe de dispersion des ondes de
surface permettent de remonter aux propriétés mécaniques du sol. Elles sont très spécialisées
et nécessitent des développements théoriques très longs qui sortent du cadre de cette brochure.
Il importait de les signaler.
Mesures à partir des forages

Elles concernent toute la série d'essais dits cross-hole et down-hole qui seront traités par
ailleurs. Elles présentent l'avantage de pouvoir reconnaître très aisément les différents types
d'ondes, et en raison de leur application à de très courtes bases, d'éviter de prendre en
considération des signaux altérés par des réfractions indiscernables. Leur inconvénient majeur
est économique : la nécessité de réaliser et d'équiper les forages d'expérimentation.
Valeurs des modules dynamiques (tirés de l'ouvrage « Génie parasismique » édité par
V. Davidovici, Presses de l'École Nationale des Ponts et Chaussées, Paris 1984).
Les modules de compression mesurés se classent par ordre croissant suivant la dureté des
terrains :
¾ Terrains cristallins sains : 50 000 à 100 000 MPa
¾ Terrains cristallins fracturés : 15 000 à 30 000 Mpa
¾ Calcaires tendres, craies : 5 000 à 10 000 Mpa
¾ Terrains rocheux altérés : 1 000 à 5 000 Mpa
¾ Sables et graviers, remblais rocheux : 500 à 1 500 Mpa
¾ Argiles : 100 à 500 Mpa
¾ Argiles très molles, vases : 10 à 100 MPa
Dans le calcul des modules, le poids de la vitesse de cisaillement est prédominant.
Le module de cisaillement est indépendant de Vp.
>
75
ANNEXE 2
Le module d'Young n'est que très peu influencé par Vp, ce qui explique qu'une formation
superficielle sous nappe a un module d'Young très peu différent de sa valeur hors nappe, alors
que la vitesse Vp varie considérablement. Par exemple, on peut calculer qu'un remblai rocheux
ayant hors nappe une vitesse sismique longitudinale de 800 m/s, verra, sous nappe, cette même
vitesse se situer vers 2000 m/s. La vitesse de cisaillement et le module de cisaillement ne seront
pas modifiés et le module d'Young ne passera que de 800 à 900 MPa.
Comparaison des valeurs des modules dynamiques et statiques
Les modules obtenus par mesures sismiques sont appelés modules dynamiques par opposition
aux modules dit statiques, calculés à partir des courbes effort-déformation obtenues soit en
laboratoire, soit in situ au vérin. Le module statique est toujours inférieur au module dynamique
et le rapport Ed/Es varie beaucoup. Cela est lié aux vitesses de déformation mises en jeu lors
des essais sismiques qui sont de l'ordre du cm/s ou du mm/s, ce qui correspond à des
déplacements de l'ordre du micron. Il s'agit donc de déformations extraordinairement faibles et
non comparables à celles qu'on fait subir au terrain lors d'essais statiques. Les valeurs des
modules dynamiques et statiques peuvent différer assez considérablement jusqu'à se situer
dans un rapport de 10.
76
ANNEXE 3
ANNEXE 3
LA SISMIQUE AQUATIQUE
Cette annexe a pour objectif de rappeler les particularités de la sismique réfraction mise en
œuvre en milieu fluvial ou marin.
A. Matériel
Seule la partie immergée du matériel diffère du matériel utilisé en zone terrestre.
Les deux principales sources utilisées sont le Sparker (étinceleur) et le canon à air, l'explosif étant
de plus en plus rarement autorisé compte tenu des dégâts qu'il peut occasionner à la faune marine.
Sparker
Cette source fonctionne sur le principe de la création d'une ou plusieurs bulles d'air à partir d'une
décharge électrique effectuée entre deux électrodes (phénomène de vaporisation de l'eau). La
puissance et la fréquence du signal émis vont dépendre du nombre et de la taille des brins
utilisés, et de l'intensité de la décharge électrique.
Canon à air
Cette source fonctionne sur le principe de l'expulsion à très grande vitesse d'un volume d'air
comprimé. La puissance et la fréquence du signal émis vont dépendre du volume de la chambre
(20 à 100 cubic inch) et de la pression de fonctionnement (40 à 140 bars) (Fig. 50 et 51).
FIGURE 50 FIGURE 51
CANON À AIR (PHOTO FUGRO FRANCE). SOURCE SPARKER 100 JOULES
(PHOTO FUGRO FRANCE).
>
77
ANNEXE 3
Les capteurs utilisés sont des hydrophones fonctionnant à partir d'un capteur de pression.
On conseillera pour les applications de sismique réfraction où le dispositif est le plus souvent
posé, voire traîné sur le fond, d'utiliser des hydrophones avec transformateur intégré
entièrement moulé.
On évitera, pour des raisons de fragilité, d'utiliser des hydrophones nécessitant l'utilisation de
préamplificateurs avec alimentation en +/- 15 V intégrés dans une flûte à bain d'huile.
Comme pour la terrestre, on conseillera pour des profils de 120 à 240 m de long, d'utiliser des
hydrophones dont la fréquence propre sera comprise entre 8 et 14 Hz.
B. Mise en oeuvre
La sismique réfraction en milieu aquatique peut se mettre en œuvre de manière statique :
méthode de la « flûte coulée », ou de manière dynamique : méthode de la « flûte traînée ».
Flûte coulée
Les mesures en flûte coulée sont l'équivalent en marine des dispositifs sismique réfraction 5 tirs
classiquement utilisés à terre, et faisant appel à la méthode d'interprétation du Plus-Minus.
Le principe de mise en œuvre est similaire à la sismique réfraction terrestre, il consiste a poser
sur le fond une flûte d'hydrophones à l'aide de lests (corps morts), et à effectuer 2 tirs en bout,
1 tir au centre, et 2 en offset de part et d'autre du dispositif.
Flûte traînée
Dans le cas d'études effectuées sur des linéaires de plusieurs kilomètres, il peut être intéressant
de mettre en œuvre un système où l'ensemble source et capteurs sont directement traînés sur le
fond.
La source est généralement montée sur un traîneau à l'arrière duquel est attachée la flûte
d'hydrophones.
Ce système autorise une grande précision dans la définition de l'offset source récepteur, ainsi
que dans la définition de l'intertrace entre capteurs. Il permet aussi de s'assurer de l'alignement
du dispositif.
Cette méthode est par contre basée sur la réalisation d'un seul tir par dispositif, ce qui limite son
utilisation à des contextes dans lesquels l'objectif ne présente pas trop de variation de faciès
et/ou d'évolution rapide de la profondeur du toit du substratum.
Positionnement
Le positionnement se fait généralement à l'aide d'un système GPS différentiel permettant de

localiser le support naval avec une précision métrique par rapport à une base fixe située à terre.
Ces données peuvent être transmises à un calculateur embarqué et utilisées par un programme
de navigation indiquant la route du navire et l'écart par rapport au profil théorique.
Recommandation
La principale recommandation concernant la mise en œuvre est liée au choix de la longueur du

dispositif qui pourra être dans certains cas de dix à quinze fois la profondeur d'investigation
souhaitée, cela compte tenu des faibles contrastes de vitesses généralement observés dans les
fonds marins.
>
78
ANNEXE 3
ANNEXE 3
Le tableau présenté ci-dessous donne différents calculs de distances critiques en fonction du

contraste de vitesses entre les couches.
H1 (m) V1 (m/s) H2 (m) V2 (m/s) V3 (m/s) Xc1 (m) Xc2 (m)
5 1500 5 1600 1700 55,7 79,7
5 1500 5 1700 1800 40 75,9
5 1500 5 1700 1900 40 57,8
5 1500 5 1800 1900 33,2 74,7
5 1500 5 1800 2000 33,2 56,6
5 1500 5 2000 2500 26,5 39,2

H1 : épaisseur première couche V1 : vitesse première couche
H2 : épaisseur deuxième couche V2 : vitesse deuxième couche
V3 : vitesse troisième couche
Xc1 : distance critique pour voir apparaître la vitesse V2 sur la dromochronique
Xc2 : distance critique pour voir apparaître la vitesse V3 sur la dromochronique
On notera par exemple que la distance critique est de 55,7 m pour une épaisseur H1 de 5 m
dans le cas d'un contraste de vitesse de 100 m/s entre V1 et V2.
C. Interprétation
On conseillera vivement de demander systématiquement un calage par sondage mécanique ou
CPT avant validation des hypothèses d'interprétation.
En effet, un des risques d'erreurs rencontré en interprétation en milieu aquatique est lié au fait
que la première arrivée enregistrée sur les capteurs donnera toujours au minimum une vitesse
de 1 500 m/s correspondant à la vitesse de déplacement de l'onde sismique dans l'eau.
Toute présence d'un horizon présentant des vitesses inférieures à 1500 m/s sera fortement
masquée par l'arrivée de cette onde directe particulièrement énergétique et haute fréquence.
Dans certains cas exceptionnels, il est possible d'aller chercher derrière l'arrivée haute
fréquence correspondant à l'arrivée directe par l'eau, une arrivée basse fréquence plus tardive
correspondant à une vitesse inférieure.
Les exemples dans lesquels un géophysicien expérimenté a pu aller identifier ces arrivées
tardives sont assez rares, on pourra citer une publication de la CPGF sur une étude sismique
réfraction marine effectuée au Cap d'Agde en milieu côtier vaseux.
Des fonds marins présentant des vitesses inférieures à 1 500 m/s peuvent s'observer dans
certains cas particuliers quand les sédiments présentent une faible teneur en gaz. On sera donc
particulièrement prudent dans les zones de marnage, ainsi que dans les secteurs de sédiments
plus ou moins organiques risquant de présenter une teneur même faible en gaz de
décomposition.
L'exemple de reconnaissance en milieu lacustre présenté dans le chapitre IV de ce livre est une
très bonne illustration de ce risque.
>
79
ANNEXE 3
D. Conditions d’utilisation
Contrairement à la sismique réflexion permettant une profondeur d'investigation de plusieurs
centaines de mètres, la sismique réfraction ne pourra que très difficilement dépasser les
cinquante premiers mètres, voire les cent premiers mètres dans des contextes géologiques bien
particuliers.
Elle peut par contre être mise en œuvre par très faible profondeur d'eau (quelques mètres), alors
que la sismique réflexion sera très fortement perturbée par la présence des réflexions multiples
entre le fond et la surface.
On privilégiera la sismique réfraction dans les projets où la caractérisation directe des vitesses
sismiques est un paramètre primordial pour le déroulement des travaux (dragage, ancrage
d'ouvrages d'art, etc.), sachant que la sismique réflexion monotrace sera bien adaptée aux
études structurales mais ne permettra pas de remonter aux vitesses.
Seule la réalisation d'une étude sismique réflexion multitrace permettra de remonter aux
vitesses, et cela après un traitement du signal assez poussé.
80
ANNEXE 4
ANNEXE 4
COMPLÉMENTS SUR L’INTERPRÉTATION

DES DISPOSITIFS SISMIQUES
1. INTERPRÉTATION DE LA COURBE « MINUS »
1.1. Variation de la vitesse de fond
Lorsque le substratum est formé de plusieurs panneaux ayant des vitesses différentes, ces
diverses vitesses apparaissent sur la courbe « Minus », comme le montre la figure 52. Cette
propriété évidente du « Minus » découle directement de sa définition. Signalons encore que
dans ce cas la vitesse lue sur la courbe « Minus » est valable au cosinus de l'angle de pendage
près (valeur assimilable à 1 dans le cas général).
Sp Sq
Surface du sol
Substratum S'p S'q

FIGURE 52
5000 m/s 3000 m/s 5000 m/s COURBE DE « MINUS » POUR UN SUBSTRATUM
Temps FORMÉ DE PANNEAUX AYANT DES VITESSES
DIFFÉRENTES.
5000 m/s
3000 m/s
5000 m/s
Sp Sq Distance
Lorsqu’apparaît sur la courbe « Minus » une anomalie franche on peut, en première analyse,
supposer qu'on est en présence d'un compartiment du substratum ayant une vitesse différente
de la vitesse moyenne qui apparaît par ailleurs. On verra dans le paragraphe suivant que
certaines formes d'un substratum homogène peuvent donner des « Minus » proches de ceux
donnés par un compartiment apparaissant dans un substratum plan. On reviendra sur ce point
pour montrer comment différencier au mieux ces deux phénomènes.
1.2. Traduction sur la courbe « Minus »

des formes élémentaires du substratum
Les deux formes élémentaires qui doivent être étudiées sont celles dites du « fond de bateau »
et celle du « dos d'âne ».
Les deux exemples suivants expliquent le mécanisme d'apparition de vitesses différentes de la
vitesse vraie du substratum, au milieu de la structure (Fig. 53). Cependant, les formes
théoriques que nous indiquons ne sont pas rigoureusement exactes. Elles seront précisées et
explicitées au paragraphe 1.3. Cas général - Forme quelconque de cette annexe.
>
81
ANNEXE 4
FIGURE 53
Fond de bateau
FORMES ÉLÉMENTAIRES.
Dos d’âne
Forme en « fond de bateau » ou thalweg du substratum
La distance SpSq est, en raison de l'inclinaison des normales au substratum et de la profondeur

de celui-ci, très nettement différente de la distance de trajet effectif S'p-S'q de l'onde sismique au
toit du substratum. Or, le temps pris en compte dans la construction « Minus » est le temps réel
du trajet t(S'p-S'q) qui est par construction affecté à la distance SpSq qui peut être très nettement
plus petite que la distance S'pS'q. L'anomalie qui apparaît alors sur la courbe « Minus » est une
anomalie de vitesse artificiellement faible (Fig. 54).
Sp Sq
S'q
S'p
FIGURE 54 Temps
Substratum de vitesse homogène = Vfond
COURBE DU « MINUS »
DANS LE CAS D’UNE FORME
EN « FOND DE BATEAU ». Vfond
TS'p S'q
V < Vfond
Vfond
Sp Sq
Distance
Forme en « dos d'âne »

On fait le même raisonnement que pour la forme en fond de bateau.
La distance SpSq est, en raison de l'inclinaison des normales au substratum et de la profondeur
de celui-ci, très nettement différente de la distance de trajet effectif S'p-S'q de l'onde sismique au
toit substratum. Or, le temps pris en compte dans la construction « Minus » est le temps réel du
trajet t(S'p-S'q) qui est, par construction, affecté à la distance SpSq qui peut être très nettement
plus grande que la distance S'pS'q. L'anomalie qui apparaît alors sur la courbe Minus est une
anomalie de vitesse artificiellement forte (Fig. 55).
>
82
ANNEXE 4
ANNEXE 4
Sp Sq
S'p S'q
FIGURE 55
COURBE DE « MINUS »
Temps
DANS LE CAS D’UNE FORME DU
SUBSTRATUM EN « DOS D’ÂNE ».
Vfond
TS'p S'q
V > Vfond
Vfond
Sp Sq Distance
1.3. Cas général - Forme quelconque
Le cas général peut être étudié sur une des formes élémentaires ci-dessus évoquées. Prenons
par exemple le thalweg du substratum.
La zone S'1- S'2 du fond se comporte par rapport à un fond plan (fond «1») comme un dos d'âne,
de même que la partie S'3- S'4 du substratum par rapport à un fond plan (fond « 3 »). Ces deux
anomalies entourent le thalweg du substratum en anomalie principale par rapport à un fond plan
(fond « 2 »). La traduction sur la courbe « Minus » apparaît alors comme indiqué sur le
graphique « temps-distance » : le thalweg est indiqué par une vitesse apparente faible entouré
par deux zones montrant des vitesses apparentes fortes (Fig. 56).
Dans le cas d'un bombement du substratum un raisonnement identique conduit à un résultat
symétrique comme le montre la figure 57.
>
83
ANNEXE 4
S1 S2 S3 S4
S'4
S'1
S'3
S'2 (3)
(1)
(2)
Temps
FIGURE 56 TS'3 S'4 Vfond

CAS GÉNÉRAL - FORME EN THALWEG. V > Vfond
TS'2 S'3
TS'1 S'2 V < Vfond
V > Vfond
Vfond
S1 S2 S3 S4 Distance
S1 S2 S3 S4
S'2 S'3
(1) (2) (3)

S'1 S'4
FIGURE 57
CAS GÉNÉRAL - BOMBEMENT Temps
DU SUBSTRATUM.
Vfond
TS'3 S'4
TS'2 S'3 V < Vfond

V > Vfond
TS'1 S'2
V < Vfond
Vfond
S1 S2 S3 S4 Distance
>
84
ANNEXE 4
ANNEXE 4
1.4. Interprétation générale
La fonction « Minus » est le temps de trajet de l'onde sismique sur le réfracteur de fond. C'est ce
principe qui doit guider toute interprétation des formes de la courbe « Minus ».
Une interprétation quantitative des formes de cette courbe nous semble devoir se limiter à une
détermination de la vitesse moyenne du substratum considéré ou à la détermination des
vitesses de divers compartiments du substratum. Toutes les interprétations, tentant à partir du
« Minus » de déterminer des profondeurs, procèdent d'une opération de l'ordre de l'intégration.
Les variations de la fonction « Minus » sont en effet comparables à des « infiniment petits », à
partir desquels on demanderait de fournir des variations de profondeur pouvant être du même
ordre de grandeur que celui de la profondeur du substratum. Une telle opération effectuée à
partir de données expérimentales, donc relativement imprécises, serait très discutable.
L'attitude la plus constructive nous semble devoir être la suivante :
a - Lorsque des points de tir se situent au droit de l'anomalie « Minus », le calcul des profondeurs
permet d'interpréter quantitativement l'anomalie du « Minus ». Cela n'est cependant possible
que lorsque la forme correspondante est relativement étendue par rapport à la maille des points
de tir. On est alors en présence d'informations qui se recoupent en précisant la structure.
b - L'anomalie du minus ne se situe pas au droit d'un point de tir :
¾ Une anomalie de vitesse faible peut correspondre à un compartiment du substratum ayant
effectivement une vitesse plus faible que la moyenne, les épontes de ce compartiment
correspondant sensiblement aux limites de l'anomalie.
Une telle anomalie peut également correspondre à une dépression du substratum. Dans ce
dernier cas, à chacune des frontières du tronçon de vitesse faible du « Minus », apparaît en
général un petit secteur présentant une vitesse anormalement forte comme cela est indiqué au
paragraphe 1.3. Cas général - Forme quelconque (anomalies par rapport aux fonds théoriques
« 1 » et « 3 »).
¾ Une anomalie de vitesse forte est souvent plus facile à interpréter pour la raison suivante : s'il
s'agit d'une forme en « dos d’âne » du substratum, il arrive que la vitesse apparente lue sur la
courbe « Minus » soit supérieure aux vitesses sismiques qu'on peut raisonnablement attendre
dans la nature, ces dernières ne dépassant pratiquement jamais 6 000 m/s. Une vitesse
excessive est donc la preuve de l'existence d'une forme. Il peut se faire aussi qu'une anomalie
de forte vitesse reste dans la gamme des vitesses de fond possible pour le faciès géologique
concerné. Dans ce cas on peut faire le même type d'observation que pour la cas précédent,
c'est-à-dire chercher, aux limites de l'anomalie de vitesse forte, un secteur de vitesse
anormalement faible qui indiquerait alors une forme en dos d'âne.
2. COUCHES CACHÉES
Rappelons que la représentation « temps-distance » d'une branche de dromochronique est celle

du temps d'arrivée de l'onde sismique la plus rapide, en fonction de la position sur le terrain de
chaque point de réception. Cette première arrivée est celle, bien connue, du « break » d'un film
sismique. Derrière ce « break », à des instants de plus en plus tardifs, arrivent des fronts d'onde
ayant accompli des trajets au sein et aux frontières de toutes les unités géologiques qui
composent cette structure. Le fait que, sur les branches de dromochroniques, les premières
arrivées sont ainsi les seules mises en évidence conduit à ce que certains marqueurs
n'apparaissent pas. Ces couches cachées sont, suivant leur nature, classées dans les deux
catégories suivantes qui font l'objet des analyses ci-après :
¾ couche(s) ayant une vitesse plus faible que les deux couches encaissantes,
¾ couche(s) ayant une épaisseur relativement faible par rapport aux couches supérieures. >
85
ANNEXE 4
2.1. Couche ayant une vitesse plus faible

que les couches encaissantes
Par exemple on a : V1 < V2 < V4, mais V3 < V2 et V3 < V4.

Les lois de la réfraction ne permettent pas une réfraction totale au sommet de la couche V3, et
par conséquent cette couche n'apparaîtra jamais sur la dromochronique. On interprétera donc
ce schéma comme un schéma à trois couches, V1, V2 et V4. Le calcul classique conduira à
donner une profondeur du réfracteur V4 plus forte que la réalité. Dans un tel cas, le calcul exact
des temps d'arrivée est possible, mais le problème inverse, qui est précisément celui de
l'interprétation de la dromochronique ne peut donc donner qu'une solution entachée d'erreur. On
en est réduit pour minimiser cette erreur à s'étalonner sur des structures connues ou à faire
intervenir la géologie du site.
Parmi les situations les plus communément rencontrées où ce phénomène se présente, citons
les deux suivantes :
¾ Dans les pays arides se forment des croûtes dures ayant des vitesses sismiques plus élevées
que les terrains sous-jacents. C'est le cas en particulier des croûtes calcaires de certains pays
méditérranéens, et des carapaces latéritiques des pays sahéliens. Assez souvent, l'énergie
sismique transportée par ces couches superficielles est assez faible et s'amortit complètement à
une certaine distance du point de tir, ce qui permet d'identifier la couche située sous cette croûte
et, en négligeant la partie parasite du signal, l'interprétation classique n'est pas prise en défaut.
¾ Dans les séries sédimentaires existent des étages marneux au sein de formations calcaires
plus rapides. La maîtrise de la géologie locale ou régionale permet en général d'attribuer à ces
couches lentes une épaisseur connue et constante, et une vitesse probable (entre 1 500 et
2 000 m/s pour une marne) ce qui atténue considérablement les difficultés d'interprétation. Nous
donnons ci après un exemple de dromochronique représentative de tels schémas géologiques.
La figure 58 illustre le phénomène de couche cachée.
FIGURE 58
COUCHE CACHÉE AYANT UNE VITESSE PLUS FAIBLE.
V1 = 500 m/s
V2 = 2000 m/s
V3 = 1500 m/s
V4 = 4000 m/s
V = 4000 m/s
V = 2000 m/s
V = 500 m/s
>
86
ANNEXE 4
ANNEXE 4
2.2. Couche ayant une faible épaisseur
2.2.1. Analyse du problème le plus simple

Considérons à titre d'exemple un schéma à quatre couches : V1 < V2 < V3 < V4.
Il peut se faire que le temps de trajet réfracté sur V3 soit, dans la zone du point A, plus grand que
ceux respectivement réfractés sur V2 et V4.
Le pointage des premiers temps d'arrivée donnera une branche de dromochronique comportant
trois segments de droite de pente 1/V1, 1/V2, et 1/V4.
Le segment de droite représentatif de la vitesse V3 serait porté par la droite en tireté. Cette droite
est telle que tout point traduisant un trajet réfracté sur V2 ou sur V4 correspond, dans la zone de
l'intersection V2/V4, à un temps inférieur à celui du trajet réfracté sur V3.
Dans le cas simple de quatre couches on a :
Temps réfracté sur V2 : t2 = 2D1 + OS/V2.
Temps réfracté sur V4 : t4 = 2D3 + OS/V4.
OS étant la distance tir-sismographe.
Au point d'intersection A, si t3 =2D2 + OA/V3 est supérieur à t4 = 2D3 + OA/V4, la droite
représentative de V3 n'apparaît pas sur la dromochronique, ce qui se traduit pour l'épaisseur e3
par une condition d'inégalité, fonction de e1, e2, V1, V2, V3 et V4 (Fig. 59).
FIGURE 59
COUCHE CACHÉE AYANT UNE FAIBLE ÉPAISSEUR.
1/ V4
V1
A
2D (3)
V2 1/ V3
1/ V2
2D (2)
V3
1/ V1
V4
La courbe temps-distance est très explicite : on voit bien que le déplacement de la droite
t3 = 2D2 + X/V3, au-dessus du point A correspond à une diminution de la différence D3-D2,
quantité qui est, en première approximation, proportionnelle à e3.
L'épaisseur critique de e3 pour laquelle cette épaisseur est maximale tout en restant non visible
sur la branche de dromochronique, est celle qui correspond à la position de la droite V3 passant
par le point A.
L'expression exacte de la valeur critique e3C de e3 est, pour le schéma considéré à quatre
couches, la suivante :
V2 (V4 − V3 ) e e V3
e3c = [(D 2 − D1 ) + D 2 − 1 cosi1,4 − 2 cosi2,4].
V4 (V3 − V2 ) V1 V2 cosi3,4
>
87
ANNEXE 4
Cette formule s'obtient en calculant l'épaisseur e3 pour laquelle Xc2 = Xc3.

Sachant que :
V3 V4
Xc 3 = (2D 3 − 2D 2 ).
V 4 − V3
V2 V3
Xc 2 = (2D 2 − 2D1 ).
V3 − V2
Pour fixer un ordre de grandeur, affectons à ce schéma à quatre couches les valeurs
numériques suivantes :
e1 = 2,9 m V1 = 500 m/s,
e2 = 10,9 m V2 = 1000 m/s,
avec V3 = 2000 m/s et V4 = 4000 m/s.
On obtient e3c = 8,7 m.
Cette épaisseur de 8,7 m est l'épaisseur critique de la troisième couche : si e3 est inférieure à
8,70 m, le segment représentatif de la couche V3 n'apparaît pas sur la dromochronique.
L'interprétation effectuée sans prendre en compte cette couche introduit alors deux types
d'erreurs lors de l'interprétation classique :
¾ on prend en compte un faux schéma à trois couches : 500, 1000, 4 000 m/s, la couche à
2 000 m/s étant occultée.
¾ en plus de cette erreur stratigraphique, le fait de ne pas prendre en considération cette
couche V3 dans le calcul des profondeurs conduit à minorer la profondeur du toit du substratum.
Dans le cas présent, si on ne tient pas compte de e3 et si son épaisseur est égale à sa valeur
critique de 8,70 m, l'erreur théorique sur la position du toit de V4 est de l'ordre de 2 mètres.
Les difficultés rencontrées dans l'identification des vitesses cachées peuvent être contournées
en tentant de relier le délai sismique avec une profondeur, et ce sur la base de forages
d'étalonnages. Par exemple dans les contrées équatoriales, sur les sites d'altération sablo-
argileuse du socle cristallin, on a observé que la profondeur du substratum (en m) s'obtenait en
multipliant le délai sismique (en ms) par un facteur voisin de 0,55, alors que les vitesses visibles
(280 m/s sur 5 800 m/s) impliqueraient un coefficient de l'ordre de 0,28, ce qui prouve que la loi
de vitesse avec la profondeur met en jeu des vitesses cachées caractérisant la couverture, plus
fortes que 280 m/s.
Note pratique
La réalisation de plusieurs dispositifs permet parfois de repérer la présence d'une couche

cachée sur un ou quelques tirs quand son épaisseur devient supérieure à l'épaisseur critique à
partir de laquelle elle redevient visible. Il est alors parfois conseillé de l'introduire dans
l'hypothèse d'interprétation des dispositifs voisins, si l'on considère bien sur que la géologie
locale ne présente pas d'évolution rapide de faciès et de structure.
Si on se trouve dans un cas de ce type, il est recommandé, pour minimiser l'erreur, de construire
la droite représentative de V3, en la faisant passer par le point A, comme indiqué sur la figure 59.
2.2.2. Généralisation
Toute vitesse intermédiaire qui n'apparaît pas sur une branche de dromochronique peut être
introduite avec son épaisseur maximale, en faisant passer la droite représentative de cette
vitesse au point A ou au-dessus du point A tel qu'il est défini sur la figure. On peut également
>
88
ANNEXE 4
ANNEXE 4
envisager de faire passer dans cette zone, en plus de V3, une autre droite V'3 telle que V'3 < V4
et V'3 > V2. Le degré de liberté n'est cependant pas total, et si toutes les vitesses intermédiaires
peuvent être introduites, elles ne peuvent pas l'être en les faisant passer toutes par un point tel
que A. (L'analyse de ce problème passe par celle du problème inverse qui consiste à introduire
entre les couches V2 et V4, toutes les vitesses intermédiaires comprises entre V2 et V4 suivant
une loi continue, et d'en calculer la réponse).
Sur l'ensemble de la dromochronique (Fig. 60) et en chaque point tel que A, peuvent être
introduites des vitesses intermédiaires, ainsi qu'il est indiqué sur le graphique ci-après.
Les couches visibles sur ce graphique ont, par exemple, des vitesses de 500, 1 000, 2 000 et
5 000 m/s.
On introduit sur cette branche de dromochronique les vitesses supplémentaires suivantes :
1 500 m/s entre les couches 1 000 et 2 000 m/s, avec une droite représentative passant par le
point A2, ainsi que les vitesses 3 000 et 4 000 m/s entre les couches 2 000 et 5 000 m/s avec des
droites représentatives passant toutes deux par le point A3.
5000 m/s
t
A3
/s
4000 m
m/s 2000 m/s
3000 A2
FIGURE 60
COUCHES CACHÉES -
s GÉNÉRALISATION.
0 m/
50 1000 m/s
1
A1
500 m/s
d
Le calcul des profondeurs donne les valeurs suivantes :

¾ Schéma à 4 couches : 500, 1 000, 2 000, 5 000 m/s
Profondeurs du toit des couches :
1 000 m/s : 2,9 m,
2 000 m/s : 22,4 m,
5 000 m/s : 59,8 m.
¾ Schéma à 7 couches : 500, 1 000, 1 500, 2 000, 3 000, 4 000, 5 000 m/s
Profondeurs du toit des couches :
1 000 m/s : 2,9 m,
1 500 m/s : 17,5 m,
2 000 m/s : 26,9 m,
3 000 m/s : 48,4 m,
4 000 m/s : 63,9 m,
5 000 m/s : 76,5 m.
Si, effectivement, ces couches à 1 500, 3 000 et 4 000 m/s existent avec leur épaisseur
maximale compatible avec les enregistrements, on fait, en n'en tenant pas compte, une erreur de
près de 17 m sur la profondeur du toit du substratum à 5 000 m/s, soit 28 %.
>
89
ANNEXE 4
On est cependant pas encore au maximum de l'erreur possible. Le calcul de la profondeur

maximale du substratum peut être fait, moyennant des développements théoriques qui vont au-
delà de cet exposé, mais que nous nous devons d'aborder rapidement pour que l'interprétateur
soit conscient de ce mécanisme, qui conduit de toute façon à minorer les profondeurs lorsqu'on
se limite à l'interprétation brute des dromochroniques.
Supposons que dans la zone du point A, intersection des droites représentatives des couches
de vitesses Vp-1 et Vp, on fasse passer toutes les droites possibles correspondant à toutes les
vitesses comprises entre Vp-1 et Vp. Cela revient à dire qu'on suppose qu'il existe entre Vp-1 et Vp
une couche ayant une vitesse variant progressivement de Vp-1 à Vp. Il reste à faire le choix de la
nature de cette loi continue. On admet généralement que cette loi est une loi linéaire du type
V = aZ + V0.
Pour l'exemple ci-dessus, avec la succession des vitesses apparentes 500, 1000, 2000, 5000, le
schéma (Fig. 61) réel serait :
FIGURE 61
COUCHES CACHÉES AVEC GRADIENT DE VITESSE.
500 m/s Homogène
500 à 1000 m/s Passage progressif de 500 à 1000 m/s
1000 m/s Homogène
2000 m/s Homogène
5000 m/s Substratum
On peut faire le calcul des épaisseurs des couches dont les vitesses sont continues par un
procédé automatique dont l'exposé va au-delà des objectifs de cet ouvrage.
Ce calcul des épaisseurs après introduction de ces couches supplémentaires V1,2 ,V2,3 et V3,4
avec leur épaisseur maximum compatibles avec les dromochroniques conduit à :
¾ épaisseur du 500 m/s : 1,7 m,
¾ épaisseur de la couche de transition 500/1000 m/s : 2,3 m,
¾ épaisseur du 1000 m/s : 10,5 m,
¾ épaisseur de la couche de transition 1000/2000 m/s : 15,9 m,
¾ épaisseur de la couche de transition 2000/5000 m/s : 32,8 m.
Le toit du substratum se trouve alors rejeté à 79,7 m, ce qui correspond par rapport à
l'interprétation brute à une majoration de plus de 33 %.
L'existence de couches non homogènes dont la vitesse croit avec la profondeur est un
phénomène courant dans les terrains d'altération. Dans de tels cas, l'interprétateur devra
admettre que les résultats d'une interprétation n'en tenant pas compte conduit, en première
analyse, à des profondeurs de réfracteurs trop faibles. À défaut d'une réinterprétation des
données tenant compte de cette particularité, l'apport des résultats des sondages d'étalonnage
permet de recaler les différents niveaux, en gardant cependant bien à l'esprit que dans un tel
contexte l'ajustement doit se faire dans le sens d'une majoration des profondeurs.
>
90
ANNEXE 4
ANNEXE 4
2.2.3. Conclusions
a - Les analyses ci-dessus montrent que l'interprétation brute ne tenant compte que des
segments de droite visibles sur les graphiques « temps-distance » conduit à des résultats
donnant une profondeur minorée du substratum.
Une première amélioration de l'interprétation consiste en se référant d'une part à la géologie du
site, et d'autre part à des dispositifs exécutés sur le même site, à introduire au(x) coude(s) d'une
dromochronique une droite représentative d'une couche existant très probablement.
Cette opération se justifie surtout lorsque les sondages mécaniques imposent un ajustement
que l'interprétation classique ne peut satisfaire.
b - On peut calculer les profondeurs maxima compatibles avec les dromochroniques en

introduisant aux coudes de la dromochronique, entre les vitesses Vp-1 et Vp une loi de vitesse
continue et croissante. Pratiquement, des applications numériques nous ont montré que la
nature de cette loi qui fait passer du mur de Vp-1 au toit de Vp de façon continue ne semble pas
avoir une influence déterminante sur la valeur de ces profondeurs maximales. Les calculs qui
sont évoqués ici ont été faits avec les deux lois suivantes :
¾ Loi linéaire : V= V0 + az,
¾ Loi exponentielle : V= V0.ekz.
La recherche de la profondeur maximale d'un substratum à partir d'une dromochronique
décomposée en segments de droite, ne peut se faire que par le calcul automatique itératif ci-
avant mentionné. Il faut prendre en compte les vitesses représentées par ces segments de
droite et les délais correspondants qu'on affecte à la succession de couples formés par la
couche de vitesse homogène Vp-1 et la couche formant une couche de transition continue entre
Vp-1 et Vp.
Ci-dessous nous indiquons, pour information, les équations paramétriques des dromo-
chroniques obtenues dans un terrain où le gradient de profondeur est vertical et où la loi de
croissance vitesse/profondeur est unique. Elle donne les valeurs X(i0) et t(i0) [distance
d'émergence et temps correspondant], le paramètre i0 étant l'angle d'incidence du rayon
sismique lié au point d'émergence.
Loi linéaire :
X = 2V0/arctg(i0),
t = - 2/a.Ln[tg(i0/2)].
Loi exponentielle :
X = 2(π/2- i0)/k,
t = 2cos(i0)/kV0.
Remarque: Les rayons sismiques obéissant à ces lois sont des courbes. Il est rarissime en
sismique réfraction qu'on puisse détecter à coup sûr des courbes bien identifiées sur les
graphiques temps/distance.
91
Document publié par le LCPC sous le numéro J1050385
Conception et réalisation : LCPC-IST, Marie-Christine Pautré
Dessins : LCPC-IST, Philippe Caquelard
Impression : Jouve - N°
Dépôt légal : 1er trimestre 2005
Le présent guide, rédigé à l'initiative de l'AGAP Qualité (Association pour la qualité en
géophysique appliquée), est destiné aux maîtres d'œuvres et aux prestataires de service afin
de les aider dans la préparation, l'organisation, la réalisation et l'interprétation de la sismique
réfraction.
La rédaction de cet ouvrage s'appuie sur des praticiens bénéficiant d'une large expérience
acquise sur de nombreux chantiers de reconnaissances appliquées au génie civil.
Il comprend deux parties :
La première partie aborde toutes les notions de base nécessaires pour acquérir les
connaissances conduisant à une bonne mise en œuvre de la méthode sismique réfraction.
Après un bref rappel des notions fondamentales permettant de mieux appréhender les
principes physiques sur lesquels repose cette méthode, l'accent a été mis sur les aspects
pratiques de mise en œuvre de cette technique, avant d'aborder le problème de
l'interprétation des données.
La seconde partie est composée de quatre annexes qui abordent des problèmes
d'interprétation particuliers et des mises en œuvre spécifiques de la sismique réfraction (bloc
sismique, sismique marine), ou utilisant certaines propriétés de la propagation des ondes
sismiques (détermination des modules dynamiques).
This book, written under the patronage of the French Association for Quality in Applied
Geophysics, is intended for professionals in geophysics involved in seismic refraction surveys.
Aim of this book is to assist geophysicist in preparation, organization, performance and
interpretation of a seismic refraction survey.
The authors have gained a wide experience in geophysical investigations methods applied to
Civil Engineering, with specialization in seismic refraction.
This book is divided in two parts:
The first one, after a brief introduction on basic principles , emphasizes practical aspects
concerning field work and classical interpretation.
The second one is composed of four appendices containing information on marine surveys,
3-D applications, dynamic moduli calculation and more complex interpretational problems.
Réf. : AGAP2
Prix : 32 Euros HT

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Les Cahiers de l’AGAP N°2

Guide Sismique réfraction

Association pour la qualitØ

Le patrimoine scientifique de l'Ifsttar

Institut Français des Sciences et Techniques des Réseaux,

Les Cahiers de l’AGAP n° 2

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées

 M. Yves BERTRAND, Ingénieur géologue ENSG (1959) a consacré sa carrière aux

En couverture : Enregistrement sismique.

Ce document est propriété du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées

Chapitre 1. Rappel des notions fondamentales 7

Chapitre 2. Mise en œuvre et matériel 17

Chapitre 3. Interprétation des résultats 35

Chapitre 4. Applications - Cas concrets 55

ANNEXE 1. Bloc sismique 71

ANNEXE 2. Mesures in situ des paramètres

ANNEXE 3. La sismique aquatique 77

ANNEXE 4. Compléments sur l’interprétation

Le présent « Cahier » a été rédigé à l'initiative de l'AGAP Qualité* (Association pour la

Parmi les méthodes d'exploration du sous-sol, la sismique réfraction a pour vocation

¾ détermination des moyens de terrassement des massifs rocheux,

Il est important de ne pas confondre la sismique réfraction, méthode adaptée aux

1.1. Principes généraux de la transmission des ondes 8

1.2. Propagation dans les milieux discontinus 11

1.1. PRINCIPES GÉNÉRAUX

1.1.1. Ondes planes

Le rapport des vitesses longitudinales et transversales est ainsi de :

1.1.2. Ondes de surface

1.1.3. Notions de base

1.2.1. Cas d'un bicouche

 Calcul de l'équation donnant le temps d'arrivée de la réfractée première en fonction

EM1 + M2R M1M2

Cette dernière expression est l'équation d'une droite de pente 1/V2

Sur le graphique « temps-distance », les droites de pente 1/V1 et 1/V2 se croisent en un

À titre d'information, le tableau I donne la distance critique pour un marqueur plan

V1 400 1600 2000 2500 3000

Définition du délai sismique

1.2.2. Cas de plusieurs couches

En exprimant de proche en proche, comme pour le cas de deux couches horizontales,

1.2.3. Cas d'un seul marqueur plan incliné (Fig. 7)

les angles de pendage étant généralement faibles, on peut négliger le facte ur

Les distances perpendiculaires au marqueur : e et e’ s’obtiennent simplement à

Le tableau II montre cette évolution pour V1 = 2500 m/s et V2 = 4500 m/s.

Pendage Vitesse Vitesse Moyenne Moyenne Écart

0 4500 4500 4500 4500 0

2.1. Mise en œuvre 18

2.1.2.1. Nombre de capteurs et de tirs 19

2.1.5.1. Élaboration de l’offre 23

2.2. Acquisition des données 25

2.1. MISE EN ŒUVRE

2.1.1. Remarque préliminaire

Dispositif Plan dans lequel

2.1.2. Réalisation d'un dispositif sismique

2.1.2.1 Nombre de capteurs et de tirs

2.1.2.2. Longueur du dispositif

X C = 2e. (V2 + V1 ) / (V2 − V1 )

V1 400 1500 2000 2500 3000

V3 + V2 V3 V22 - V12 - V2 V32 - V12

où la première couche est caractérisée par la vitesse V1 et l'épaisseur e1, la deuxième

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