Rapport Vincennes

Zoo de Vincennes 1/14Reconnaissance du sous sol par méthodes sismiques et radar

Zoo de Vincennes

Investigations géophysiques etcaractérisation de déformations du sol

Étude non destructive par méthode sismique et radar

FATIHI Maleka – HUSSNI Sara – BEN SOLTANA Bilel – CROSSE Arthur – MEIXEDO Dimitri

Master 2 Géophysique de Surface et Subsurface Janvier 2015


1) INTRODUCTION

A la demande de l'Institut de Physique du Globe de Paris et pour le compte du Zoo deVincennes, les M2G2S ont réalisé une campagne de reconnaissance géophysique sismique et radardans deux zones ouvertes au public. Suite aux travaux effectués dans le parc, certaines zonesprésentent des déformations rendant l'accès au public impossible pour des raisons de confort et desécurité. L'objectif de cette étude est donc de localiser et caractériser ces déformations.

2) LOCALISATION DES MESURES

Les deux zones d'études sont situées respectivement au niveau de la clairière, dans une zoneinitialement dédiée aux pique-niques, et devant l'enclos des loups dans la zone Europe.

Plusieurs profils radar et sismiques sont implantés sur zone, afin de recouvrir au mieux la zoned'investigation. La longueur des profils radar est déterminée par la place disponible, les profilssismiques quant à eux prennent en compte la profondeur d'investigation en complément, afin d'avoirune profondeur d'investigation suffisante pour la caractérisation des déformations. L'ensemble deces mesures sont effectuées, dans la mesure du possible, à une élévation constante.


Zones d'étude


Implantation sur la zone de la Clairière :

Un profil sismique de 33m est implanté dans la plus grande longueur de la zone afin d'ausculter àune profondeur maximale.

Implantation sur la zone Europe face à l'enclos des Loups :

Plusieurs profils radar sont implantés afin d'encercler l'affaissement observé en surface afin depouvoir visualiser son étendue au mieux.



3) MATERIEL ET PROTOCOLE D'ACQUISITIONa) Imagerie sismique

L'imagerie sismique étudie les propriétés de propagation des ondes sismiques afin decaractériser les structures du sol. Dans le cadre de cette étude nous nous intéressons au principe deréfraction et aux ondes de surface, ces deux méthodes utilisent le même protocole d'acquisition.

La sismique par réfraction utilise la propagation des ondes le long des interfaces entre chaqueniveaux géologiques. Cette méthode permet donc l’estimation des vitesses et du pendage descouches. Ces interfaces se caractérisent par des différences de célérité des ondes sismiques quipermettent alors aux ondes de se propager le long de ces interfaces sur de longues distances,remontant à la surface et jusqu'aux capteurs lors de leur rencontre avec les irrégularités localiséessur ces limites.

Schéma du principe de la sismique de réfraction

La sismique des ondes de surface, aussi appelée MASW (MultiChannel Analysis of SurfaceWaves), s'intéresse à la propagation des ondes de Rayleigh qui sont étroitement liées auxcaractéristiques de cisaillement su sous-sol. Ces ondes présentes des propriétés dispersives, c'est àdire que leur vitesse va dépendre de leur fréquence, et son également très énergétiques (plus que lesondes de réfraction) permettant un signal de bonne qualité à faible et moyenne profondeur.

Schéma de la propagation d'une onde de Rayleigh



Matériel utilisé : 1 Unité d'enregistrement sismique GEODE 1 Flûte de 24 traces sismiques 24 géophones de 4,5 Hz 1 Plaque de frappe 1 Bobine de câble pour trigger 1 Masse et son trigger

Après l'implantation et la détermination des longueurs de profils, les 24 géophones sontdisposés tout les 1 (pour un profil de 23m) ou 1,5m (pour un profil de 33m), connectés à la flûte et àl'appareil de mesure.

L'acquisition s'effectue avec un tir entre chaque géophones (répétés 4 ou 5 sur chaque position pouraméliorer la qualité du signal par stacking) et 2 à 3 tirs d'offset (selon la place disponible) avant etaprès le dispositif de mesure afin d'obtenir des informations mêmes aux extrémités des profils.Chacun de ces tirs est ainsi effectué à intervalle de distance régulière.

Lors de ces mesures, nous nous essayons à la technique de l’interférométrie sismique pourimager le sous-sol en utilisant le bruit ambiant comme signal sismique. Cette méthode permetl'imagerie du sol sans utiliser de sources sismiques (marteau) ou d'explosions. On estime ici que lebruit de fond est diffus, c'est à dire qu'il est aléatoire et donc qu'en moyenne il va se propager danstoutes les directions avec la même probabilité. On va pouvoir alors approximer la réponseimpulsionnelle d'un milieu (fonction de Green) par l’inter-corrélation mathématique entre le signaldiffus enregistré à deux endroits différents.Cette mesure s'effectue en activant l'enregistrement par les géophones pendant plusieurs minutes engénérant du bruit ambiant par des déplacements aléatoires tout autour du dispositif.Cependant, compte tenu de la difficulté de traitement en comparaison des méthodes de réfraction etde MASW, aucun résultat ne sera exploité par cette méthode.



b) Imagerie Radar

Le radar géologique impulsionnel (aussi appelé géoradar ou GPR pour Ground Penetrating Radar) est une méthode de prospection géophysique, non destructive et non intrusive, basée sur la propagation des ondes électromagnétiques hautes fréquences (de l’ordre de la dizaine de mégahertz jusqu’au gigahertz).

Cette technique est très comparable à la méthode de sismique réflexion en prospection géophysique,à cela près que l’atténuation rapide des ondes électromagnétique dans le sol la cantonne à n’être utilisée que pour l’auscultation de la subsurface.

Le géoradar est composé de deux antennes, l’une émettant une impulsion électromagnétique (émetteur) et l’autre la recevant (récepteur). Le principe de base du géoradar est finalement assez simple : l’antenne émettrice émet un pulse électromagnétique bref qui va se propager dans le sol.

Lorsque le signal rencontre une discontinuité de constante diélectrique, une partie de l’énergie initiale du signal est réfléchie tandis que le reste continu son trajet dans le sol jusqu’à être à son tourréfléchi.

Ces discontinuités, marquant un changement de nature du milieu (i.e. changement de constante diélectrique), peuvent correspondre à l’interface entre le milieu environnant (le sol) et une hétérogénéité quelconque : changement de lithologie, présence d’un vide, d’une nappe phréatique, d’un objet ou encore d’une canalisation…

Les mesures en surface des temps d’arrivée des ondes ainsi que les amplitudes enregistrées vontalors apporter des informations sur la nature des sols, les interfaces existantes, les vides ouinclusions etc…



A chaque point de mesure le long du profil est associée une trace radar. La répétition des mesures àdifférents points du profil permet d’obtenir une suite de trace radar et ainsi de produire ce que l’onappelle un radargramme. C’est à partir des radargrammes que l’on peut interpréter les donnéesreçues.

Figure : Représentation d'un radargrammeImage tirée de la thèse de F. Lopes

Les paramètres intrinsèques de l’antenne ainsi que les propriétés du milieu encaissant vontdéterminer les mesures. En règle générale l’augmentation de la fréquence utilisée limitera laprofondeur d’investigation mais augmentera la résolution des images. Les sols les plus adaptés àl’utilisation du géoradar sont les sols peu conducteurs (glace, béton, terrains sec…). A l’inverse legéoradar servira peu ou pas pour les sols très conducteurs (sols saturés en eau).

Lors de nos mesures nous avons utilisé deux systèmes d’acquisition, l’un développé par GSSI (USA) et l’autre par Mala (Suède).

Matériel GSSI utilisé : • Unité d’acquisition SIR 3000 • Antennes à divers fréquences : Plusieurs antennes sont disponibles et le choix de

l’une ou l’autre sera motivé par les besoins et finalités des investigations.• Roue codeuse pour connaître la distance parcourue sur le radargramme



Matériel Mala utilisé : • Une antenne MALA, nous avons utilisé plusieurs antennes de fréquences différentes

(100 MHz, 250MHz et 500 MHz). Sur la photo ci-dessous, un exemple d’antenne à une fréquence de 250 MHz, sur laquelle est fixée une batterie, une roue codeuse qui permet de mesurer la distance sur laquelle on prospecte (le paramétrage est le même que pour une antenne GSSI) et enfin un manche pour traîner l’antenne.

• Un ordinateur pour régler les paramètres d’acquisition, enregistrer les profils réalisés, contrôler la vitesse d’acquisition. Il nous permet également d’avoir un résultat en temps réel.

• Une centrale où toutes les connexions entre l’ordinateur et l’antenne sont réalisées.Une batterie y est également fixée afin d’alimenter l’ordinateur.

Les mesures sont réalisés le long d’un profil en traînant l’antenne radar. Pour couvrir la zone oneffectue des plusieurs profils transversaux et longitudinaux à différents intervalles selon les besoinsde l’étude.



4) TRAITEMENT DES DONNEESa) Imagerie sismique

Les mesures sismiques effectuées sont traitées de 2 méthodes différentes, s'intéressantchacune à des ondes sismiques différentes.

Un premier traitement de sismique de réfraction est effectuée à l'aide du logiciel Pickwin qui permetde pointer sur les traces sismiques les premiers temps d'arrivée. Ces temps sont alors enregistrés etintégrés à un script sur Matlab afin de sortir la profondeur de différentes interfaces combinées à leurvitesses de propagation des ondes.Un deuxième traitement par MASW est effectué sur la zone de la Clairière. Le traitement est pluslong et suit un traitement en plusieurs étapes, toujours effectué à l'aide du logiciel Picwin :

Définition de la géométrie de l'acquisition Calcul des Common Mid Point Calcul des graphiques de fréquence en fonction de la vitesse des ondes Pointage des zones les plus énergétiques Suppression des valeurs pointées aberrantes Définition du modèle initial Calcul du modèle final par méthode itérative

b) Imagerie radar

Les données radars obtenues sur le terrain nécessitent parfois un traitement ultérieur pour améliorer la qualité et la lisibilité des radargrammes. Ce traitement s’effectue à l’aide du logiciel dédié Radan 7 développé par GSSI. Les traitements sont à utiliser avec parcimonie. En effet certains filtres ne permettent pas de récupérer le signal originel à partir du signal filtré. Un signal filtré ne se « défiltre » pas.

On applique généralement les traitements suivant :• Positionnement du zéro : sur le radargramme la position du sol, représentée par

l’arrivée de l’onde direct du sol, est toujours décalée de quelques nanosecondes par rapport au temps t0 où le signal est émis. On ajuste donc les axes pour que la profondeur z=0 corresponde à la surface du sol

• Compensation des amplitudes par un réajustement des gains : ce réajustement permetde palier à l’atténuation du signal avec la profondeur et de « lisser » les amplitudes

• Filtrages verticaux passe-haut et passe-bas centrés sur la fréquence nominale de l’antenne : la fréquence indiquée par le constructeur ne correspond pas exactement aux signaux émis par les antennes. Dans la pratique, les spectres d’émission forment une gaussienne autour de la fréquence nominale avec un décalage plus élevé vers les basses fréquences. On filtre donc les composantes du signal éloignées de la fréquence nominale. En règle générale on filtre toute fréquence inférieure à 1/3 de la fréquence nominale ou supérieure à 3 fois cette dernière.

• Déconvolution : on applique un opérateur de déconvolution essentiellement poursupprimer les multiples et pour « affiner » le radargramme. L’observation et lalisibilité des interfaces et des anomalies est meilleure.



5) RESULTATS ET INTERPRETATIONS

Sur ces deux zones d'études, les résultats présentés sont ceux considérés comme les pluspertinents pour répondre à la problématique de notre étude. Plusieurs centaines de mesures ayant étéeffectuées, il a fallut donc sélectionner celles paraissant les plus lisibles et porteuses d'informations.

a) Zone de la Clairière

Sur cette zone étendue, le traitement de la sismique de réfraction permet la détection de 3 couchesdistinctes. Il semble ici que ces 3 couches d'épaisseurs approximative de 6m chacune ne seretrouvent pas sur l'ensemble du profil puisqu'au delà du géophone 24 aucune réfraction n'estobservée. Il apparaît donc que nous avons des variations de la stratigraphie sur la longueur de notreprofil.



Ces observations sont confirmées par les résultats en MASW. En effet il apparaît aussi que larépartition des vitesses de propagation semble relativement tabulaire en début de profil, en fin dedispositif on constate alors un fort gradient de vitesse où de faibles vitesses sont observées à forteprofondeur, témoignant vraisemblablement de l'absence de cette 3ème couche dans la profondeurd'investigation permise par ces méthodes. Il est important de noter ici que les courbes de vitessessur le profil ci-dessous ne délimitent aucunement des couches et des interfaces.On en conclut ici que cette zone entre 0 et 20m semble avoir été tassée par les aménagementsinstallés lors des travaux du parc zoologique. Cette observation est corroborée par le témoignaged'employés du parc. Cette forte compaction de la zone influe en toute logique sur l'écoulement deseaux de pluie rendant cette partie du sol moins perméable et donc plus propice à l'apparition d'eauxstagnantes.

Vitesses en m/s



b) Zone Europe

Figure 1: Radargramme, profil longitudinal 60, zone des loups- 900MHz


Sur ce radargamme 60, qui se situe dans la zone des loups en remontant l’allée vers les loups,réalisé au milieu du chemin, on peut remarquer :

- Qu’à partir de 80 cm de profondeur, le signal est très bruité,- La profondeur de la limite béton-sol (trait en jaune) est assez variable, elle est comprise

entre 22 cm et 25 cm. On peut également remarquer que l’épaisseur du béton augmenteentre 27 m et 32 m, elle passe de 23 cm d’épaisseur à 25 cm.

- Entouré en vert, on voit de fortes réflexions, ceci pourrait être due au fait qu’il y a unaffaissement du terrain et qu’entre le béton et le sol il y aurait de l’air. En effet, le béton,l’air et le sol ont des permittivités diélectriques très différentes ce qui engendrent de fortesréflexions.




Figure 4 : Radargramme, profil longitudinal 61, zone des loups- 900MHzSur ce radargamme 61, qui se situe dans la zone des loups en descendant l’allée vers les vautours,réalisé à l’extrémité droite du chemin, on retrouve les mêmes caractéristiques que sur le profil 60.

Figure 5: Radargramme, profil transversal 66 (g) et 65 (d) , zone des loups- 900MHzSur ce radargramme 66, qui correspond au profil transversal réalisé proche de la zoned’affaissement, on retrouve l’épaississement du béton remarqué précédemment (entouré en vert). Sur ce radargramme 65, qui correspond au profil transversal réalisé à côté de la zoned’affaissement, on peut noter qu’il n’y a pas de problèmes particuliers.On peut donc conclure que sur la zone des loups, la zone d’affaissement est bien présentepuisqu’elle fait environ 3 m de largeur et 6 m de longueur.



6) CONCLUSIONS

Cette étude avait pour but de déterminer à la fois les causes de la stagnation de l'eau dans lazone de la Clairière mais aussi de localiser l'effondrement au niveau de la zone Europe face àl'enclos des loup. Grâce à différentes méthodes géophysiques permettant d’étudier les différentespropriétés des milieux nous avons ainsi pu déterminer l'étendue de ces anomalies. Il apparaît doncclairement ici que la source du problème dans la Clairière est causée par un tassement du solempêchant l'écoulement normal de l'eau et qu'un affaissement est localisé sous la dalle en béton.Au delà de ces considérations pratiques, cette étude nous aura permis de nous familiariser avec lesoutils géophysiques communément utilisés dans le génie civil à des fins d'auscultation et dediagnostiques de structures et d'anomalies telles que nous avons pu visualiser ici.


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Rapport Vincennes