GÉOPHYSIQUE (PROSPECTION)

GÉOPHYSIQUE (PROSPECTION)

La prospection géophysique est l’application à l’étude du sous-sol de techniques dérivées de la physique. Son but principal est la recherche des gîtes minéraux. Elle est fondée sur la mesure, à la surface du sol ou de la mer, parfois à partir d’un avion ou d’un hélicoptère, d’une grandeur physique dont la valeur est influencée par la structure du sous-sol et par la nature des roches qui le composent. Les méthodes les plus employées sont les méthodes gravimétrique, magnétique, électriques, électromagnétiques et sismiques. Elles sont caractérisées par leur pouvoir de pénétration (à quelle distance les roches font-elles sentir leurs effets sur les instruments de mesure?), leur pouvoir de résolution (quelles sont les dimensions minimales des masses rocheuses dont on peut estimer les propriétés?), leur spécificité (que peut-on dire sur la nature des roches étudiées?) et leur mode d’interprétation.

Aucune méthode n’étant parfaite, on est souvent amené dans la pratique à en utiliser plusieurs successivement. On fait d’abord une étude de reconnaissance pour dégrossir le problème, puis des travaux de détail utilisant des méthodes de plus en plus puissantes. L’emploi de chacune des méthodes géophysiques consiste d’abord en missions de terrain, puis en traitement de données et enfin en une interprétation géologique des résultats ainsi obtenus.

Il est à noter que le terme «géophysique» inclut parfois la technique des carottages, pour laquelle nous renvoyons le lecteur aux articles DIAGRAPHIES et FORAGES.

La prospection géophysique industrielle concerne presque exclusivement les hydrocarbures (environ 97 p. 100 en chiffre d’affaires), et c’est là qu’elle trouve le moteur de son développement. Celui-ci est très rapide. Si le principe des méthodes ne varie pratiquement pas, les techniques évoluent très vite.

1. Les différents types de prospection

Les nombreux problèmes que les prospecteurs ont à résoudre sont évidemment très différents suivant les circonstances: on ne prospecte pas de la même façon un amas de pyrite ou un gisement d’hydrocarbures. L’échelle, les phénomènes physiques utilisés, les conditions économiques, rien ne reste identique d’un cas à un autre.

En premier lieu, l’échelle est radicalement différente. Un gîte minier, pour être exploitable, doit, dans la plupart des cas, être très peu profond: il faut en effet que l’on puisse, sans trop de dépenses, ôter la couverture de morts-terrains, s’il y en a une, et procéder par des moyens mécaniques à l’extraction et à l’enlèvement du minerai ; de plus, beaucoup de gîtes sont filoniens, donc très minces. En ce qui concerne le pétrole ou le gaz, l’exploitation se fait par mise en perce du gisement à l’aide d’un puits très étroit par lequel on fera s’écouler le fluide; on peut alors utiliser industriellement des accumulations se trouvant à plusieurs kilomètres de profondeur. Le prospecteur d’hydrocarbures doit donc avoir à sa disposition des moyens d’investigation profonde, très différents en cela de ceux dont a besoin son collègue mineur.

En second lieu, les grandeurs physiques mesurées à la surface du sol ne sont pas les mêmes. Un amas de pyrite ou de chalcopyrite est relativement beaucoup plus conducteur de l’électricité que les roches encaissantes. De plus, il peut être le siège de phénomènes électrochimiques. Aussi a-t-on recours, pour la prospection de tels gîtes, à des méthodes électriques ou électromagnétiques. Dans le cas des gisements d’hydrocarbures, la méthode à employer, par excellence, sera la méthode dite sismique, qui permet d’étudier les échos produits par les couches profondes lorsqu’on provoque un séisme artificiel en surface; on déduit de ces échos la forme des couches et un raisonnement géologique permet d’estimer la probabilité de rencontrer en tel ou tel lieu des accumulations favorables.

Enfin, dernier facteur qui est loin d’être négligeable, les conditions économiques sont extrêmement variables. L’objectif du géophysicien pétrolier est d’éviter les forages inutiles, le coût d’un puits étant extrêmement élevé: on peut admettre, en effet, que, pour le prix d’un puits de profondeur moyenne (3 km) foré à terre, on peut faire de 500 à 1 500 km de profils sismiques, ce qui permet de couvrir des surfaces considérables. En mer, les chiffres précédents peuvent être multipliés par un facteur au moins égal à cinq. Aussi la prospection pétrolière ne se conçoit-elle pas sans un usage intensif des levés géophysiques.

L’objectif du géophysicien minier, en revanche, peut être simplement de préciser l’extension d’un gîte déjà reconnu; or il importe de remarquer que le forage de reconnaissance ou le creusement d’une tranchée, de toute façon nécessaire pour estimer la teneur du minerai en éléments utiles, est en général d’un coût relativement faible. On fera donc toujours entrer en balance les éléments de prix de la prospection géophysique et ceux de l’exploration mécanique. Et, dans la plupart des cas, les mineurs sont naturellement conduits par les considérations économiques à se passer de géophysique.

L’emploi le plus fréquent de la géophysique en dehors des prospections pétrolières est l’étude générale de grandes régions. On utilise alors souvent des méthodes aéroportées pour mesurer le champ magnétique naturel moyen ou pour étudier l’effet de champs électromagnétiques induits. On couvre ainsi systématiquement, et à peu de frais, de grandes surfaces de terrain, même si elles sont peu accessibles au sol.

On pourra aussi faire des travaux de sismique pour trouver la profondeur d’anciennes vallées, comblées depuis longtemps, dans lesquelles des accumulations de minéraux intéressants ont pu se rassembler. Les recherches d’eau font également appel à la géophysique, sous la forme de la méthode de polarisation provoquée.

2. Les différentes méthodes

Les exemples qui précèdent donnent une idée de la variété des tactiques que le prospecteur doit employer pour arracher, aux moindres frais, ses secrets à la nature.

Les mesures géophysiques peuvent, comme celles de physique du globe, être de simples observations de phénomènes spontanés: mesure du champ de pesanteur (gravimétrie ); du champ magnétique moyen (méthode magnétique ); des courants électriques naturels circulant dans le sol, soit seuls (méthode tellurique ), soit associés aux champs magnétiques correspondants (méthode magnétotellurique ); mesure de radioactivité (scintillométrie ); du flux de chaleur (méthode géothermique ). Toutes ces méthodes sont dites passives.

On peut également faire intervenir des processus que l’expérimentateur a délibérément provoqués: c’est le cas de certaines méthodes électriques et électromagnétiques et des méthodes sismiques . Ces dernières sont les plus coûteuses, car elles nécessitent de puissants dispositifs d’excitation au sol. Ce sont cependant les plus employées, car les plus efficaces.

Parmi les méthodes qui utilisent des phénomènes spontanés, deux concernent la mesure de champs (champ de pesanteur et champ magnétique) en différents lieux. La méthode des flux de chaleur est assez voisine en son principe. En admettant que le phénomène soit semblable à lui-même aux différents instants où l’on fait les mesures (ou que, par des corrections, on se ramène à ce cas), et si le sous-sol est homogène, on observe partout en surface des champs uniformes. Ce n’est que si une hétérogénéité des roches sous-jacentes se trouve située sous certains points de mesure que l’on observe en ces points, et aux points voisins, des valeurs singulières. On dira qu’il y a une anomalie . De telles méthodes ne permettent pas d’obtenir des informations sur des roches qui seraient réparties en grandes masses homogènes ou en structures tabulaires. Les autres méthodes, au contraire, peuvent, au moins en principe, fournir ces informations. On ne parle guère d’anomalie en sismique, sauf pour décrire des traits particuliers des cartes sur lesquelles sera reportée la répartition de la vitesse de propagation des ondes. Cela tient à ce que le résultat principal d’une prospection sismique, au moins par la méthode la plus utilisée, n’est pas une carte d’une grandeur caractéristique des roches (comme c’est justement le cas pour les cartes de vitesse), mais une sorte de coupe verticale du sous-sol.

Nature des résultats

Les anomalies du champ de pesanteur et celles du champ magnétique résultent respectivement de la répartition dans le sous-sol de roches de différentes densités et de roches possédant différentes aimantations. Les méthodes électriques et électromagnétiques reflètent la répartition de roches de diverses conductibilités électriques et, dans le cas des méthodes de polarisation spontanée ou provoquée, de certains minéraux particuliers tels que des sulfures. Dans le cas de la méthode de radioactivité, ce sont les minéraux radioactifs, contenant de l’uranium, du thorium ou du potassium 40 qui, par leur accumulation dans certaines roches, provoquent les anomalies.

Le cas des méthodes sismiques est particulier, car les grandeurs caractéristiques des roches qui exercent leur influence peuvent être différentes selon le mode d’observation. Dans l’une des méthodes, qui utilise des rayons que l’on peut considérer comme réfractés (méthode de sismique par réfraction: en abrégé, de sismique-réfraction ), on mesure directement la vitesse de propagation des ondes sismiques le long de certains bancs ou de certaines surfaces de séparation entre des bancs différents. On obtient également des renseignements sur l’inclinaison des bancs, ce qu’on appelle leur pendage. Mais, dans l’autre méthode, dite de sismique-réflexion , dans laquelle on reçoit et on étudie les échos d’ondes sismiques produits par les surfaces de séparation entre roches de type différent, ce sont les coefficients de réflexion de ces ondes, tout autant que les vitesses de propagation, qui sont les grandeurs intéressantes. On n’utilise guère actuellement les résultats de cette méthode que sous forme de coupes du sous-sol et de cartes d’égale profondeur (cartes d’isobathes) ou d’égale épaisseur (cartes d’isopaches) des couches. En prospection pétrolière, il importe plus, en effet, de connaître la forme des couches que leur nature.

Certaines méthodes permettent l’identification certaine ou quasi certaine du type de minéral présent dans les roches en même temps que sa localisation: méthode de polarisation provoquée, mesures de radioactivité. Ce sera aussi le cas de la méthode magnétique, lorsqu’on cherche des amas de magnétite et que l’on a d’avance de bonnes raisons de croire que les anomalies observées sont dues à ce minéral. On dira qu’il s’agit de méthodes directes de prospection, car, seul un très petit nombre de minéraux peut être responsable des anomalies observées.

D’autres méthodes peuvent être considérées comme semi-directes. Citons, par exemple, la méthode électromagnétique à excitation artificielle par courants induits, qui détecte les conducteurs superficiels, un peu à la manière des détecteurs militaires de mines à enveloppe métallique. On obtient, en effet, des indications précises sur la position des corps conducteurs, mais l’identification complète des minéraux concernés n’est pas possible.

Le cas des hydrocarbures

Une prospection directe des hydrocarbures ne semble pas a priori impossible. On pourrait penser en effet que l’effet de millions de tonnes de pétrole enfouies à quelques kilomètres de profondeur seulement devrait être mesurable en surface au moins par l’une ou l’autre des méthodes géophysiques: gravimétrie (il y a de grosses masses en jeu); méthodes électriques (les hydrocarbures ont une forte résistivité); méthodes sismiques (les ondes sismiques ne se propagent pas tout à fait à la même vitesse dans une roche imprégnée d’huile et dans la même roche imprégnée d’eau). Les gisements de gaz devraient, eux aussi, être facilement repérables, puisque le gaz a des propriétés très différentes de l’eau qui imprègne normalement les roches poreuses. Il faut pourtant se rendre à l’évidence: aucune de ces méthodes ne permet, pour le moment, de conclure à la présence ou à l’absence d’hydrocarbures dans les roches.

La gravimétrie ne le permet pas, parce que les gisements se présentent beaucoup plus sous la forme de feuilles ou de galettes sensiblement horizontales (par exemple, diamètre: 2 km; épaisseur: 50 m) que sous la forme des «poches» dont on parle dans les manuels scolaires. Or, les objets plats ne donnent guère d’anomalies gravimétriques que sur leurs bords, et il s’en faut de beaucoup que celles-ci soient mesurables. La présence de gaz ou d’huile dans les pores de la roche magasin ne produit pas, par rapport aux roches avoisinantes, un contraste de densité suffisant, compte tenu de la faible épaisseur du gisement. Les méthodes électriques ne sont pas non plus capables de reconnaître les roches imprégnées d’hydrocarbures, car de nombreuses roches qui n’en contiennent pas ont des résistivités du même ordre de grandeur que celles qui en sont saturées. La méthode de polarisation provoquée a suscité quelques espoirs; mais elle ne semble pas être assez spécifique, ni avoir un pouvoir de résolution suffisant.

Enfin, la sismique ne permet pas actuellement de prouver la présence des hydrocarbures dans une roche, car la vitesse de propagation dans les roches imprégnées n’a rien de spécifique. Les réflexions des ondes sur ces mêmes roches ne se distinguent pas a priori de celles qu’auraient produites les mêmes assises si elles avaient été stériles. On peut cependant s’efforcer d’étudier les variations de vitesse de propagation des ondes le long d’une couche selon son imprégnation, en gaz, par exemple, dans le gisement, en eau, ailleurs. Mais ce principe est très difficilement applicable, car on ne sait pas faire des études de vitesse ayant la finesse suffisante.

Aussi la prospection des hydrocarbures est-elle, très généralement, une prospection indirecte. On fait d’abord toutes sortes de raisonnements proprement géologiques sur l’opportunité de prospecter la région. Interviennent ensuite des méthodes de reconnaissance (gravimétrie et magnétisme) permettant d’étudier les mouvements du socle cristallin, donc d’estimer l’épaisseur des roches sédimentaires, seules en principe à pouvoir contenir des gisements. Ensuite, on se livre à des travaux de sismique-réflexion dans les zones reconnues favorables à la suite des premières études; la sismique donne une image des différentes couches de la partie sédimentaire sous forme de coupes et de cartes. On cherche alors à identifier les assises géologiques de ces coupes en s’appuyant sur ce que l’on connaît des roches aux endroits où elles affleurent, ou aux endroits où on les a rencontrées dans des puits. Interviennent alors des arguments structuraux; il faut, en effet, que les couches qui sont susceptibles d’être des magasins se trouvent dans une position telle que les hydrocarbures aient pu s’y accumuler et s’y conserver. On cherche donc les «pièges» classiques sur les coupes et les cartes sismiques; on s’efforce de montrer qu’ils sont bien fermés, et l’on évalue le volume qui pourrait être rempli d’hydrocarbures. Toutes les conditions étant réunies, seul le forage d’un ou de plusieurs puits pourra finalement confirmer la présence d’un gisement. Il restera à en estimer les caractéristiques afin de préparer la décision d’abandonner ou d’exploiter.

3. Gravimétrie

La gravimétrie consiste à faire des mesures relatives d’intensité de la pesanteur à la surface du sol ou de la mer et à analyser les anomalies pour en tirer des renseignements sur la répartition des roches du sous-sol.

L’unité de pesanteur utilisée en géophysique est le gal, qui vaut 10^-2 m/s². Les anomalies intéressantes pour les prospecteurs peuvent avoir une amplitude de quelques dixièmes de milligal à quelques milligals, les appareils ayant une sensibilité de un à cinq centièmes de milligal. En mer, la mesure est rendue difficile par les mouvements du navire qui porte le gravimètre, et la précision tombe à quelques milligals.

La pesanteur g en un lieu est la somme de plusieurs termes d’origines très différentes. La partie de la pesanteur qui intéresse la prospection est celle qui est due aux masses relativement peu profondes et proches du point de mesure, à l’exclusion toutefois des masses superficielles. On opère donc, sur l’ensemble des valeurs mesurées de g , un certain nombre de corrections destinées à compenser les effets produits par la rotation terrestre, par l’aplatissement du globe, éventuellement par l’attraction de la Lune et du Soleil, enfin par l’altitude et par la topographie. On retranche ensuite l’effet, dit régional, des masses plus profondes que celles qui sont réputées intéressantes. On se trouve alors en face d’un ensemble de valeurs qu’il s’agit d’interpréter.

La gravimétrie ne permet pas la définition complète des masses du sous-sol: on sait en effet que deux corps sphériques enterrés, qui auraient même centre et même masse, produiraient exactement les mêmes anomalies de g à la surface de la Terre. À cette ambiguïté fondamentale et irrémédiable s’ajoute le faible pouvoir de résolution illustré par la figure 1.

On s’efforce de pallier ce défaut à l’aide de transformations appropriées des cartes d’anomalies (fig. 2). L’interprétation d’une carte telle que b est affaire d’expérience et de flair, encore que des calculs numériques puissent être utiles dans la recherche de structures plausibles expliquant correctement les mesures.

La méthode gravimétrique n’est pas spécifique; seuls les contrastes de densité entre roches donnent lieu à des anomalies. Le sel, dont la densité est relativement faible, donnera des contrastes négatifs avec les roches sédimentaires usuelles; une roche métamorphique, au contraire, se manifestera au contact des mêmes roches par un contraste positif; d’où, en un contexte géologique donné, des probabilités de présence, soit d’une structure salifère, soit d’un bombement, d’une cuvette ou d’une faille du socle cristallin.

On utilise surtout la gravimétrie dans les phases préliminaires de la prospection des hydrocarbures, dans le but d’avoir à peu de frais une idée des mouvements du socle cristallin ou de ceux d’une couche moins profonde, présentant un contraste suffisant avec les roches environnantes. En prospection minière, la gravimétrie est peu employée. Elle peut toutefois servir à localiser les gisements de chromite ou de minerai de fer, à étudier l’épaisseur des alluvions dans des vallées assez larges. Elle est aussi utilisée en physique du globe en liaison avec la sismique par réfraction. Elle sert également à détecter les cavités souterraines très peu profondes; il faut alors travailler à quelques millièmes de gal près.

4. Méthode magnétique

La méthode magnétique consiste à mesurer les valeurs que prennent, à la surface du sol, le champ magnétique terrestre total ou l’une de ses composantes. La mesure des composantes est lente, car les appareils doivent être installés avec soin en chacune des stations; on n’utilise donc ce procédé que pour de petites surfaces.

La mesure du champ total, en revanche, est rapide, car elle se fait à l’aide de magnétomètres à résonance nucléaire, pratiquement insensibles à l’orientation et aux mouvements de leur support: on peut les remorquer derrière des navires ou des avions (ou hélicoptères).

Le champ et ses composantes se mesurent en gammas (1 塚 = 10^-9 tesla). Les anomalies peuvent atteindre le millier de gammas, alors que la sensibilité des appareils peut aller de un demi-gamma à quelques gammas. Les variations naturelles du champ terrestre au cours du temps, qui peuvent aller d’une vingtaine à plusieurs centaines de gammas, se superposent aux anomalies créées par l’inégale répartition des masses magnétiques sous terre. Ces variations sont heureusement les mêmes en tous les points de régions assez vastes. Il suffit donc de les enregistrer en une station fixe et de les soustraire des mesures faites aux différents points de la zone à couvrir.

La méthode magnétique souffre en gros des mêmes défauts que la méthode gravimétrique en ce qui concerne le pouvoir de résolution. Dans le cas de matériaux ferromagnétiques (par exemple la magnétite), l’interprétation est délicate, car l’aimantation a une direction inconnue; de plus, elle n’est pas nécessairement constante dans tout le volume responsable de l’anomalie. En revanche, lorsque l’on sait avoir affaire à des matériaux paramagnétiques (comme l’hématite ou la sidérose) ou diamagnétiques (comme le sel), l’aimantation est liée assez simplement au champ terrestre. On peut estimer convenablement la position et la forme des amas minéralisés dont l’aimantation est assez forte, c’est-à-dire essentiellement ceux qui contiennent de la magnétite, de la pyrrhotite ou de l’ilménite.

La méthode magnétique est employée non seulement pour la recherche des minerais magnétiques, mais encore en prospection pétrolière pour l’étude préliminaire de la profondeur du socle cristallin. Elle a reçu une application brillante en géophysique dans l’étude de l’expansion de la croûte océanique à partir du centre des dorsales (cf. TECTONIQUE DES PLAQUES, fig. 5).

5. Méthodes électriques

Méthodes passives

La méthode de polarisation spontanée et la méthode tellurique utilisent toutes deux des courants telluriques spontanés, mais à des échelles très différentes.

La polarisation spontanée est celle qui prend naissance lorsqu’un amas de sulfure ou de graphite traverse la surface d’une nappe phréatique. L’oxydation de la partie supérieure de la masse conductrice transforme celle-ci en un générateur de courant électrique: d’où des différences de potentiel mesurables entre des électrodes plantées dans le sol.

La méthode tellurique permet des reconnaissances de la profondeur du socle cristallin, en général moins conducteur que les roches sédimentaires. On utilise pour cela les courants induits dans le sol par des fluctuations de l’ionosphère. Leur fréquence varie de cent hertz à un centième de hertz. La méthode magnétotellurique utilise l’enregistrement simultané des différences de potentiel aux extrémités de deux lignes électriques perpendiculaires et des composantes magnétiques associées. La pénétration est bonne, la résolution et la précision sont médiocres. Cette technique est utilisée en physique du globe et pour la recherche de sites se prêtant à des exploitations géothermiques.

Méthodes actives

La première méthode active à être utilisée fut celle qui consistait à envoyer un courant continu dans le sol au moyen de deux électrodes. En traçant des courbes équipotentielles à la surface du sol, ou en mesurant la variation de la différence de potentiel entre deux électrodes de mesure, lorsque l’on fait varier l’écartement des électrodes d’injection de courant, on peut obtenir des informations sur la répartition de la résistivité des roches. Cette méthode n’est pratiquement plus employée pour les études en profondeur, mais reste intéressante pour le génie civil, la recherche de l’eau ou la prospection minière.

La deuxième méthode, dite électromagnétique, fait appel aux phénomènes d’induction: l’énergie électrique est, le plus souvent, injectée dans les terrains au moyen d’une bobine (fréquences inférieures à 5 000 hertz); une autre bobine est connectée à l’appareil de mesure. La méthode est fondée sur le fait que les courants induits dans les corps conducteurs du sous-sol sont plus importants que ceux qui circulent alentour. Ces courants se manifestent par induction dans la bobine réceptrice. Le procédé, qui a de nombreuses variantes concernant la disposition et l’écartement des bobines, est utilisé exclusivement en prospection minière, souvent avec des appareillages aéroportés; on peut alors prospecter facilement de grandes étendues, même si le terrain est difficilement accessible.

Enfin, la méthode de polarisation provoquée utilise des phénomènes électrochimiques transitoires créés par une excitation électrique discontinue. Elle se pratique au sol en vue de certaines prospections minières (porphyres cuprifères par exemple) et pour la recherche de l’eau. Elle a été envisagée comme une méthode de détection des hydrocarbures.

6. Méthodes sismiques

Les méthodes sismiques sont fondées sur l’observation en surface d’ondes élastiques ayant pénétré dans le sol. La démarche est assez semblable à celle de la sismologie. Les différences sont surtout dans l’échelle et dans la nature des ébranlements qui produisent les ondes utilisées. Alors que les physiciens du globe étudient l’intérieur de la Terre jusqu’en son noyau à l’aide des ondes émises par les tremblements de terre, les prospecteurs, eux, ne s’intéressent qu’aux premiers kilomètres de la croûte terrestre. Ils créent eux-mêmes, en surface, de petits séismes artificiels.

Dans le mode de travail le plus fréquemment utilisé à terre, les géophysiciens disposent des capteurs (géophones) à la surface du sol. Ils les relient par des câbles à des amplificateurs, à un ensemble de numérisation et à un système d’enregistrement, tous situés dans un camion-laboratoire. Pendant ce temps, des foreurs ont préparé de petits puits très peu profonds (de quelques mètres à quelques dizaines de mètres), dans lesquels on dispose une ou plusieurs charges d’explosif amorcées avec des détonateurs électriques. Lorsque l’appareillage d’enregistrement est prêt, on fait détoner les charges en enregistrant soigneusement l’instant de mise à feu.

On utilise aussi aujourd’hui des dispositifs d’émission sismique ne nécessitant pas de forage, essentiellement des vibrateurs mécaniques. D’autre part, le système d’amplification et de numérisation est, dans de nouveaux matériels, contenu dans des boîtiers qui sont disposés sur le terrain près des géophones. Ces boîtiers peuvent être reliés à l’enregistreur du camion au moyen de câbles dans lesquels l’information circule sous forme codée numérique, ou au moyen de liaisons radio.

Le travail se fait en mer d’une façon semblable: le navire remorque l’ensemble des sources d’ébranlements sismiques, des câbles électriques et des capteurs, qui sont ici des hydrophones. Comme à terre, la technique évolue rapidement. La source d’ébranlements à d’abord été une charge d’explosif. Actuellement, c’est le plus souvent un dispositif à air comprimé, quelquefois un système mettant à profit le principe de l’implosion. Le but poursuivi est d’émettre à peu de frais le plus possible d’énergie dans la bande de fréquences utile; on désire également que la source soit capable d’émettre à intervalles assez rapides, de l’ordre de la dizaine de secondes.

L’ébranlement créé se propage dans les roches par ondes progressives. Lorsque ces ondes arrivent à une surface de discontinuité séparant deux milieux de propriétés élastiques ou de densités différentes, il y a, comme en optique, des phénomènes de réflexion et de réfraction. Les ondes réfléchies remontent vers la surface du sol. Les rayons sismiques prennent alors l’allure de SP¹R¹ dans la figure 3. Si, lors d’une même émission, on dispose plusieurs récepteurs à la surface du sol, par exemple sur un profil passant par le point d’émission, et que l’on enregistre les signaux correspondants, on obtient un sismogramme tel que celui de la figure 4. En effet, les signaux, issus de S (fig. 3) et réfléchis sur une surface (ou miroir) M, vont être sensiblement alignés sur l’enregistrement. Si l’on a pris soin de disposer les différentes pistes comme le sont les récepteurs sur le terrain, on dit qu’on voit une réflexion sur le sismogramme. Il y a, d’autre part, une relation étroite entre l’allure de cette réflexion et celle de la surface M. Si cette dernière se rapproche de la surface du sol, les temps de parcours de la source au récepteur sont plus courts, et la réflexion du sismogramme se rapproche de l’origine des temps sur celui-ci. Il suffit donc de regarder l’enregistrement, en plaçant l’axe des temps verticalement, l’axe des distances horizontalement, pour se faire une bonne idée des mouvements de la surface M dans le sous-sol. D’où le nom de coupe sismique que l’on donne à cette figure.

Le phénomène de réflexion s’accompagne d’une transmission d’énergie à travers la surface de discontinuité avec réfraction des rayons, comme en optique. En fait, les miroirs sismiques sont semi-transparents. Cette circonstance heureuse permet l’observation simultanée de plusieurs surfaces de discontinuité à la fois (fig. 4 et 5). Les assemblages de sismogrammes, tels que celui de la figure 5, méritent leur nom de coupes sismiques, car ils donnent une bonne image de ce que serait une coupe verticale des terrains situés sous le profil. Un autre avantage de la transmission d’énergie sismique à travers les surfaces est qu’elle peut donner lieu à une propagation le long de certaines de ces surfaces par un phénomène de réfraction limite. Cela se produit dans les cas où un milieu 1 (fig. 3) surmonte un milieu 2 où la vitesse de propagation des ondes est supérieure. Il est alors possible d’observer des ondes qui se comportent comme si elles avaient suivi des trajets tels que SP²P³R². Elles attaquent la surface M et en sortent avec le même angle, fonction seulement du rapport des vitesses en 1 et en 2. Le trajet P²P³ est parcouru à la vitesse à laquelle les ondes se propagent dans le milieu 2. On observe ces ondes jusqu’à d’assez grandes distances: on dit alors que l’on fait de la sismique-réfraction (en abrégé pour réfraction sous l’angle limite).

Ce type de méthode sismique présente plusieurs avantages sur la sismique-réflexion: la pénétration est souvent supérieure et on mesure de façon fort précise certaines des vitesses de propagation. En revanche, elle présente des inconvénients assez graves: le nombre des surfaces que l’on peut détecter est toujours beaucoup plus faible qu’en sismique-réflexion, et il faut souvent des charges assez fortes pour fournir au sol l’énergie suffisante pour une réception correcte des ondes après un parcours de plusieurs dizaines de kilomètres. De plus, la sismique-réfraction ne fournit pas d’image du sous-sol.

Le schéma de propagation des ondes, tel qu’il est décrit par la figure 3, peut paraître très simple. En fait, il est compliqué par toutes sortes de phénomènes. D’abord, on doit mentionner l’existence de deux types d’ondes, les ondes de condensation (ou longitudinales) et les ondes de distorsion (ou transversales), qui se propagent avec des vitesses différentes. Chaque fois qu’une onde d’un type donné se réfléchit ou traverse une surface de discontinuité sous une incidence non normale, il y a conversion d’une certaine partie de l’énergie de cette onde en une onde de l’autre type. D’autre part, il y a, comme en optique, des phénomènes de réflexion multiple et de diffraction. Il existe aussi des ondes qui suivent la surface libre et qui ne transportent donc pas d’information sur les couches profondes. Enfin, il y a toujours une certaine agitation naturelle du sol, qui est gênante. On conçoit, dans ces conditions, que les coupes de sismique-réflexion aient souvent un aspect assez compliqué.

En sismique pétrolière, le travail sur le terrain, qui permet l’enregistrement des résultats de mesure, est suivi d’une phase de traitement de ces données par des moyens informatiques.

Ce traitement est rendu nécessaire par les nombreuses imperfections de la représentation que la sismique-réflexion fournit du sous-sol. Certaines sont dues au fait que le temps que mettent les ondes à traverser la couche superficielle n’est pas partout le même; il faudra donc compenser ces variations si l’on souhaite produire une image fidèle des miroirs géologiques. D’autre part, le sismicien est en butte à divers bruits, les uns naturels, les autres provoqués par l’émission elle-même. Pour les combattre, on utilise le fait que les bruits naturels sont désordonnés et que les ondes de surface ont des vitesses et des fréquences assez faibles. La méthode qui est universellement employée consiste à appliquer la théorie des antennes: on émet en plusieurs points, on reçoit en plusieurs points et on combine judicieusement les signaux correspondants. Certaines des combinaisons se font directement sur le terrain par des branchements électriques des capteurs, d’autres sont effectuées dans un centre de traitement par calcul numérique. On procède encore à un certain nombre d’opérations de filtrage destinées à diminuer les bruits et à améliorer le pouvoir de résolution. Enfin, on effectue des traitements spéciaux destinés à fournir une description des formations rocheuses qui soit exacte physiquement et géométriquement. C’est dans des centres de calcul que les bandes magnétiques, support de l’information recueillie sur le terrain, sont lues et que les opérations de traitement sont effectuées. La tendance à utiliser à cet effet les plus gros ordinateurs, rapides et doués de mémoires de grande capacité, s’est généralisée quitte à effectuer des traitements préliminaires ou complémentaires sur des machines plus petites. Le traitement des données peut constituer un poste important dans la constitution du prix de la prospection sismique. Après les calculs, et comme toujours en géophysique de prospection, le dernier mot appartient à l’interprétation qui s’efforce d’identifier les différentes couches reconnues par sismique, d’en dresser des cartes d’isobathes ou d’isopaches et de déterminer si l’on est en présence de structures intéressantes. Les opérations sont grandement facilitées et sont rendues plus efficaces par toutes les ressources de l’informatique. Pour les usages autres que la prospection pétrolière, on n’effectue pratiquement aucune des opérations de traitement de l’information qui viennent d’être décrites. Les spécialistes estiment en effet, à tort ou à raison, qu’elles sont trop onéreuses.

Les voies dans lesquelles s’engage avec succès la sismique-réflexion sont l’amélioration des techniques d’estimation de certaines propriétés des roches réservoirs (porosité, saturation) à partir de leurs paramètres élastiques, le développement des travaux à trois dimensions, lesquels supposent des dispositifs de tir et d’enregistrement étalés en surface, le raffinement des mesures utilisant des puits profonds, l’enregistrement de plus de cent canaux par tir, l’utilisation d’émissions et de réceptions spécialisées dans les ondes de distorsion, l’extension de l’emploi des ordinateurs embarqués ou de matériels incorporant des microprocesseurs, donc dotés de capacité de traitement, la mise au point de méthodes d’inversion des données prenant en compte de plus en plus fidèlement les phénomènes physiques qui régissent la propagation des ondes élastiques dans les milieux géologiques.

Le champ d’application de la sismique-réfraction est, pour le génie civil ou pour la prospection minière, la recherche de la base des alluvions dans une vallée, pour la prospection pétrolière, la reconnaissance par points d’un socle cristallin et l’étude de l’épaisseur de la croûte terrestre à terre et en mer. Celui de la sismique-réflexion comprend l’étude de l’épaisseur des sables et graviers en mer, la recherche pétrolière à terre et en mer, et l’océanographie géophysique. C’est la sismique-réflexion qui, du fait de ses qualités propres, est, de beaucoup, la plus utilisée (97 p. 100 du chiffre d’affaires de la prospection pétrolière; 95 p. 100 du chiffre d’affaires de l’ensemble de la prospection géophysique). Beaucoup de progrès restent encore à faire dans la voie de l’amélioration de l’exactitude et de la finesse avec laquelle elle décrit les propriétés des roches. Cependant, son pouvoir de résolution, si imparfait soit-il encore, explique qu’elle soit la seule qui permette d’envisager l’étude détaillée des couches réservoirs qui contiennent les hydrocarbures. Elle ne peut constituer une méthode de prospection directe, mais elle peut fournir, et fournira de plus en plus, les renseignements dont ont besoin explorateurs et producteurs de pétrole et de gaz.

Encyclopédie Universelle. 2012.