Sismique réflexion

La sismique réflexion est une méthode de prospection géophysique dans laquelle une source émet des
ondes élastiques qui pénètrent dans le sol, s’y propagent et se réfléchissent sur les interfaces séparant
des milieux différents où les vitesses des ondes varient (par exemple, des couches géologiques). On
recueille les signaux réfléchis de façon à établir la vitesse des ondes dans ces milieux et la géométrie
des milieux traversés. La connaissance de la vitesse de propagation de l’onde sismique et le temps de
parcours source-récepteur permettent de calculer la profondeur du miroir1. Pour interpréter les
paramètres mesurés étudions d’abord sur des problèmes directs la géométrie des rais.

Cette technique de prospection géophysique représente le domaine où les investissements de la

prospection (pétrolière essentiellement) sont les plus élevés (plus de 80 % des dépenses de prospection
des compagnies pétrolières). Les techniques ont ainsi atteint un état de grande sophistication. Il n’est
pas possible dans cet ouvrage d’entrer dans les détails qui relèvent d’ouvrages spécialisés. Nous nous
bornerons à donner les grands principes de cette méthode.

I : La géométrie des rais

a) Cas d’un simple réflecteur horizontal

On prend le cas très simple d’un réflecteur horizontal à la profondeur h, sous un milieu homogène où
la vitesse des ondes P est V. Une source en E émet des ondes qui sont enregistrées par un capteur situé
en S à une distance x de E.

Le temps de propagation de l’onde est :

On peut aussi exprimer l’épaisseur h du milieu, si l’on se donne V et si l’on mesure t :

La première équation est celle de l’hodochrone et l’on voit qu’il s’agit une branche d’hyperbole dont
l’équation peut aussi s’écrire :

b) Cas de plusieurs capteurs

On définit la correction dynamique (move out en anglais) comme la différence entre les temps de
propagation t1 et t2 des arrivées des rais réfléchis à deux distances x1 et x2 (offset ou offset distance,
termes employés par les Anglo-saxons pour désigner la distance source-capteur, soit la distance ES
sur). D’après les équations précédentes on a :

Donc

et pour x/Vt0 << 1

Donc
La méthode du ∆𝑻 est basée sur la différence de temps ∆𝑻 entre un trajet sismique oblique et un
trajet sismique vertical. Considérons deux géophones dont un géophone est placé très près du point
de tir c’est-à-dire 𝑿𝟏=𝟎 (offset nul) et dont le temps de parcours de l’onde est vertical (𝑻𝒐). Le
second géophone est placé à une distance 𝑿𝟐 du point de tir et dont temps de parcours oblique de
l’onde réfléchie est 𝑻𝟐=𝑻

où t0 est le temps de propagation pour une réflexion au point de tir. On définit aussi le move out
normal, le NMO qui est fonction de l’offset x, de la vitesse V et de h :
d’où l’on peut tirer

En pratique, on calcule automatiquement V en utilisant statistiquement plusieurs offset x et leur NMO.

c) Cas de plusieurs niveaux horizontaux

Lorsque l’on a plusieurs niveaux on remplace V de l’équation précédente par la vitesse moyenne
donnée par une approximation à l’aide de la méthode des moindres carrés jusqu’au niveau n :
où Vi est la vitesse interne du niveau i et τi est le temps de propagation sur une seule traversée du
niveau i

Ainsi, le temps total de propagation tn du rai réfléchi sur le n-ième réflecteur à une profondeur h est
donné par une équation semblable à celle du niveau unique :

À partir de ces valeurs des vitesses approximées aux moindres carrés pour chaque niveau on peut
trouver les vitesses dans chaque niveau. Ainsi, si l’on a mesuré Vrms n−1, t n−1 et Vrms n, tn, on en
déduit la vitesse Vn du milieu compris entre les réflecteurs n − 1 et n par la formule de Dix:

d) Cas des réflecteurs inclinés

Soit une source E et deux capteurs en A et B distants de E de xa et xb. Les rais émis de E se
réfléchissent sur une interface inclinée de pendage α. La vitesse des ondes P dans le milieu supérieur
est V. La distance de E au réflecteur (selon une perpendiculaire à ce réflecteur) vaut h, E’ est l’image
de E par rapport à l’interface.
On a

Dans EEA, il vient (Vtb)2 = (2h)2 + x2 b − 4hxb cos(90◦ + α) et dans EEB,

(Vta)2 = (2h)2 + x2 a − 4hxa cos(90◦ + α).

Après transformation et en soustrayant, on obtient :

V2(tb2 − ta2) = (x2 b − x2 a) + 4h sin α(xb − xa)

Et
on pose tb − ta = ΔT et tb – ta/2= Tm, ainsi :

si

équation qui permet le calcul du pendage de réflecteur incliné.

On peut encore simplifier ce calcul en prenant EA = EB = x et si on place un capteur au point de tir.

qui donnent par soustraction :

et par conséquent :

et en tenant compte du capteur situé au point de tir

II/ La sismique réflexion à terre et en mer

a) Les dispositifs géométriques

Un dispositif de prospection sismique réflexion comprend une source, des récepteurs et un ensemble
destiné à amplifier les signaux, à les traiter et les enregistrer.

La géométrie des dispositifs dépend du problème à traiter. On distingue généralement la sismique

verticale de la sismique grand angle suivant la distance horizontale source capteurs (en mer la
première est la plus courante, la source et la flûte de réception sont sur le même bateau, la seconde
nécessite l’emploi de deux navires ou de récepteurs très éloignés du bateau, elle permet une meilleure
mesure des vitesses de propagation dans les couches). Pour la sismique verticale, cette distance est
constante.Pour la sismique grand angle, elle est plus grande et elle peut varier.

b) La chaîne sismique

Elle comprend trois parties, la source sismique, les capteurs, le laboratoire d’enregistrement sur le
terrain avec ses prétraitements (généralement il s’agit d’un laboratoire d’enregistrement numérique)
puis le laboratoire des traitements ultérieurs où des méthodes sophistiquées permettent de tirer le
meilleur profit des données recueillies sur le terrain. Avec les progrès des techniques électroniques et
informatiques on réalise désormais sur le terrain un traitement de plus en plus complet, pour fournir au
prospecteur un maximum d’informations utiles lui permettant de modifier en fonction des observations
les profils et dispositifs mis en œuvre.

o Les sources

On utilise à terre des sources par vibrateur. Le signal émis est de longue durée, environ 10 secondes. Il
est produit sur des camions vibrateurs possédant une plaque pulsante fortement couplée avec le sol
(par le poids du camion reposant sur elle) les pulsations sont induites par un servo verin et l’émission
se fait à fréquences progressives de 10 à 70 hertz. Plusieurs camions, émettant en phase, peuvent être
associés.

Cette opération doit être suivie d’un traitement supplémentaire consistant à compresser les signaux
longs pour obtenir des impulsions de quelques dizaines de millisecondes au lieu de 10 secondes,
permettant une bonne séparation des signaux sismiques. Une source d’une telle complexité a bien
évidemment été conçue pour répondre au mieux aux problèmes posés par l’incompatibilité bonne
pénétration bonne résolution. Grâce aux vibrateurs, les prospecteurs pétroliers peuvent obtenir une
bonne résolution sur des structures relativement profondes présentant un intérêt pétrolier.

La panoplie des sources de la sismique marine est plus étendue. On peut utiliser des explosifs, des
appareils à décharge électrique (étinceleurs) et toute une gamme de canons : canons à air, canons à
eau, canons à vapeur. Le canon à air chasse une bulle qui se met à pulser jusqu’à la surface. Le canon
à eau chasse de l’eau avec suffisamment d’énergie pour créer un effet de cavitation équivalent à une
implosion.
 o Les capteurs

Ils transforment l’énergie sismique en voltage électrique. À terre on utilise des géophones, en mer des
hydrophones. Les premiers sont des capteurs électromagnétiques à bobine mobile, la bobine se
déplaçant par inertie (voir le sismographe vertical) dans l’entrefer d’un aimant solidaire du bâti. Le
mouvement relatif produit par les vibrations du sol induit un courant dans la bobine. La tension
électrique est proportionnelle à la vitesse du mouvement relatif ; les géophones utilisés en sismique
réflexion fonctionnent avec un maximum d’amplification dans une bande de fréquence comprise entre
20 et 300 hertz.

Les hydrophones transforment les variations de pression dans l’eau en une tension électrique. Le
principe est basé sur la réponse piézo-électrique d’une céramique.

On dispose généralement plusieurs hydrophones dans un manchon de 5 à 8 centimètres de diamètre

rempli d’huile. Ce manchon actif constitue une trace sismique.

Plusieurs traces sont ainsi mises bout à bout pour constituer un long tuyau appelé flûte sismique.

A terre :

Dispositif d'émission classique en vibrosismique à terre

camions vibrateur en phase.

En mer :
 La flûte en sismique marine.
Il s’agit d’une sorte de tuyau contenant des éléments actifs contenant les hydrophones
et des éléments neutres, ou bien une suite d’éléments actifs comme celle qui est repré-
sentée ici, comprenant 96 éléments de 25 mètres (d’après Lavergne, 1986).