Etude de la propagation d'ondes sismiques en milieu 3D-axisymétriques PDF Download
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Author: Edmond Noutary
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Languages : fr
Pages : 166
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Book Description
Dans cette thèse nous étudions de façon numérique la propagation d'ondes sismiques en milieux horizontalement stratifiés. Après transformation, de Hankel ou de Fourier, nous nous ramenons à étudier des phénomènes de propagation à une dimension d'espace. Nous avons élaboré des schémas numériques issus des méthodes aux caractéristiques et de formulation variationnelles. Nous développons plus particulièrement ces méthodes pour les cas acoustiques et visco-élastiques tout en montrant la faisabilité du problème inverse. Nous indiquons enfin une direction de recherche pour étudier des phénomènes de propagation élastique.
Author: Edmond Noutary
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Languages : fr
Pages : 166
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Book Description
Dans cette thèse nous étudions de façon numérique la propagation d'ondes sismiques en milieux horizontalement stratifiés. Après transformation, de Hankel ou de Fourier, nous nous ramenons à étudier des phénomènes de propagation à une dimension d'espace. Nous avons élaboré des schémas numériques issus des méthodes aux caractéristiques et de formulation variationnelles. Nous développons plus particulièrement ces méthodes pour les cas acoustiques et visco-élastiques tout en montrant la faisabilité du problème inverse. Nous indiquons enfin une direction de recherche pour étudier des phénomènes de propagation élastique.
Author: Elise Delavaud
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Languages : fr
Pages : 174
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Ce travail de thèse est consacré au développement d'un outil numérique capable de modéliser la propagation 3D d'ondes sismiques dans les milieux géologiques complexes caractérisés par des effets de site. La méthode des éléments spectraux (SEM) est particulièrement adaptée à la problématique de la réponse sismique dans de tels milieux: estimation précise des ondes de surface, capacité à prendre en compte des géométries compliquées (topographie des surfaces libres, interfaces) et possibilité d'ajuster la résolution des longueurs d'ondes sismiques dans des conditions de milieux hétérogènes par des maillages non-structurés. Des extensions numériques de la SEM liées à la réponse de bassin ont été développées: Perfectly Matched Layers filtrantes et introduction efficace d'un champ incident. La principale limitation actuelle des SEM reste cependant liée au manque de flexibilité des maillages hexaédriques malgré l'utilisation de ces maillages non-structurés dont la génération constitue une tâche complexe. Ce travail de thèse souligne ainsi les difficultés associées à la prise en compte de telles structures et décrit le processus complet qu'implique la modélisation de la réponse sismique dans des milieux géologiques complexes, de l'élaboration du modèle physique et numérique à l'analyse des résultats.Je présente des simulations 3D de la réponse sismique dans la région de Caracas (Venezuela), incluant la géométrie 3D du bassin et la chaîne de montagnes Ávila qui borde la ville. L'importance des effets liés à ces deux types de structures est évaluée, par différents scénarios d'excitation par une onde plane. Ces effets géométriques 3D révèlent des phénomènes complexes d'amplification associés à la réflexion et à la focalisation d'ondes se propageant dans toutes les directions, ainsi qu'à la génération d'ondes de surface au niveau des bords et des zones de rétrécissement du remplissage sédimentaire. Une comparaison avec des simulations 2D montre l'intérêt d'une modélisation 3D, de nettes différences en terme de temps de résidence et de niveau d'énergie et d'amplification ayant été constatées
Author: EMMANUEL.. CHALJUB
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Languages : fr
Pages : 148
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CE TRAVAIL EST CONSACRE AU DEVELOPPEMENT D'UN OUTIL NUMERIQUE CAPABLE DE MODELISER LA PROPAGATION 3D D'ONDES SISMIQUES A L'ECHELLE DU GLOBE POUR DES DISTRIBUTIONS REALISTES DE VITESSE ET DE DENSITE. ON CONSIDERE LES EQUATIONS DE L'ELASTODYNAMIQUE EN MILIEU ELASTIQUE ISOTROPE ET ON INCLUT LES EFFETS DE LA GRAVITE DANS L'APPROXIMATION DE COWLING POUR UN ETAT INITIAL D'EQUILIBRE HYDROSTATIQUE. ON PRESENTE D'ABORD UNE APPROXIMATION AUX DIFFERENCES FINIES POUR MODELISER LA PROPAGATION DES ONDES SH LONGUE-PERIODE ( 30 S) DANS UN MANTEAU TERRESTRE AXISYMETRIQUE EN NEGLIGEANT LA GRAVITE. DANS CETTE DESCRIPTION, ON ETUDIE L'EFFET DE VARIATIONS DE TOPOGRAPHIE ET DE VITESSE SUR LES ONDES REFLECHIES SOUS LES DISCONTINUITES DU MANTEAU. ON DEVELOPPE ENSUITE UNE METHODE D'ELEMENTS SPECTRAUX PERMETTANT LA MODELISATION 3D DU CHAMP D'ONDES COMPLET EN GEOMETRIE SPHERIQUE. ON UTILISE UN MAILLAGE HEXAEDRIQUE NON-CONFORME DE LA SPHERE QUI S'ADAPTE A LA VARIATION DES PARAMETRES ELASTIQUES DU MILIEU. L'ESPACE DES MULTIPLICATEURS DE LAGRANGE ASSOCIES AUX CONTRAINTES DE CONTINUITE SUR LES INTERFACES NON-CONFORMES EST DISCRETISE PAR UNE METHODE DE JOINTS QUI DEVIENT CONFORME EN GEOMETRIE SPHERIQUE. LA PRISE EN COMPTE DE REGIONS FLUIDES EST BASEE SUR LA CONSTRUCTION D'UN OPERATEUR DIRICHLET TO NEUMANN QUI COUPLE LA METHODE DES ELEMENTS SPECTRAUX A UNE METHODE DE SOMMATION DE MODES. LA METHODE EST VALIDEE DANS DES MILIEUX HOMOGENES PAR COUCHES PUIS POUR DES MODELES DE TERRE MOYENS, EN COMPARANT LES SISMOGRAMMES OBTENUS AVEC CEUX CALCULES PAR UNE METHODE DE MODES PROPRES. L'IMPLEMENTATION PARALLELE ET LE COUT DE CALCUL DE LA METHODE SONT PRESENTES ET LES PERSPECTIVES SONT DISCUTEES. LA POTENTIALITE DE LA METHODE PERMET D'ENVISAGER POUR LA PREMIERE FOIS DE MODELISER LA PROPAGATION DU CHAMP D'ONDES COMPLET DANS DES MODELES DE TERRE 3D POUR DES PERIODES INFERIEURES A 50 SECONDES.
Author: Emmanuel Chaljub
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Languages : fr
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Ce travail est consacre au developpement d'un outil numerique capable de modeliser la propagation 3d d'ondes sismiques a l'echelle du globe pour des distributions realistes de vitesse et de densite. On considere les equations de l'elastodynamique en milieu elastique isotrope et on inclut les effets de la gravite dans l'approximation de cowling pour un etat initial d'equilibre hydrostatique. On presente d'abord une approximation aux differences finies pour modeliser la propagation des ondes sh longue-periode ( 30 s) dans un manteau terrestre axisymetrique en negligeant la gravite. Dans cette description, on etudie l'effet de variations de topographie et de vitesse sur les ondes reflechies sous les discontinuites du manteau. On developpe ensuite une methode d'elements spectraux permettant la modelisation 3d du champ d'ondes complet en geometrie spherique. On utilise un maillage hexaedrique non-conforme de la sphere qui s'adapte a la variation des parametres elastiques du milieu. L'espace des multiplicateurs de lagrange associes aux contraintes de continuite sur les interfaces non-conformes est discretise par une methode de joints qui devient conforme en geometrie spherique. La prise en compte de regions fluides est basee sur la construction d'un operateur dirichlet to neumann qui couple la methode des elements spectraux a une methode de sommation de modes. La methode est validee dans des milieux homogenes par couches puis pour des modeles de terre moyens, en comparant les sismogrammes obtenus avec ceux calcules par une methode de modes propres. L'implementation parallele et le cout de calcul de la methode sont presentes et les perspectives sont discutees. La potentialite de la methode permet d'envisager pour la premiere fois de modeliser la propagation du champ d'ondes complet dans des modeles de terre 3d pour des periodes inferieures a 50 secondes.
Author: François Janod
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Ce travail a porte sur le developpement de methodes numeriques permettant de simuler la propagation des ondes sismiques large bande dans des milieux a geometries tridimensionnelles simples, caracterises par un nombre reduit de discontinuites : par exemple un modele simplifie des alpes (topographie et moho) ou un volcan. Dans une telle modelisation, le champ incident peut etre aussi bien une onde de surface qu'une onde plane, ou emaner d'une source ponctuelle superficielle. Une introduction generale precise les objectifs de cette etude, et examine les differentes methodes numeriques utilisees en sciences de la terre. Une methode d'elements de frontiere reposant sur une representation integrale directe formulee en temps a ete developpee. Son schema de resolution explicite permet de s'affranchir des limitations rencontrees en 3d par la formulation en frequence. Nous obtenons des resultats d'une precision tres satisfaisante. Les limitations de la methode viennent de l'amplification possible du bruit numerique, et surtout d'une croissance rapide du temps de calcul, qui restreint la taille des modelisations realisables. Cette etude constitue les deux premiers chapitres du memoire. Des expressions analytiques des fonctions de green des les milieux elastiques a gradient de vitesse constant ont ete proposees de facon heuristique par sanchez-sesma et al. (1999). Leur emploi etendrait le domaine d'application des methodes integrales. Au chapitre 3, nous testons ces fonctions pour le cas 3d, et determinons leur applicabilite. Finalement, pour s'affranchir des limitations des methodes integrales sur la taille des modeles simulables, tout en utilisant leur capacite a resoudre avec precision les conditions de surface libre, nous avons demarre l'etude d'une methode hybride combinant elements de frontiere et methode de differences finies, en frequence. Le dernier chapitre propose essentiellement une etude de l'optimisation d'un schema de differences finies d'ordre 2.
Author: François Janod
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CE TRAVAIL A PORTE SUR LE DEVELOPPEMENT DE METHODES NUMERIQUES PERMETTANT DE SIMULER LA PROPAGATION DES ONDES SISMIQUES LARGE BANDE DANS DES MILIEUX A GEOMETRIES TRIDIMENSIONNELLES SIMPLES, CARACTERISES PAR UN NOMBRE REDUIT DE DISCONTINUITES : PAR EXEMPLE UN MODELE SIMPLIFIE DES ALPES (TOPOGRAPHIE ET MOHO) OU UN VOLCAN. DANS UNE TELLE MODELISATION, LE CHAMP INCIDENT PEUT ETRE AUSSI BIEN UNE ONDE DE SURFACE QU'UNE ONDE PLANE, OU EMANER D'UNE SOURCE PONCTUELLE SUPERFICIELLE. UNE INTRODUCTION GENERALE PRECISE LES OBJECTIFS DE CETTE ETUDE, ET EXAMINE LES DIFFERENTES METHODES NUMERIQUES UTILISEES EN SCIENCES DE LA TERRE. UNE METHODE D'ELEMENTS DE FRONTIERE REPOSANT SUR UNE REPRESENTATION INTEGRALE DIRECTE FORMULEE EN TEMPS A ETE DEVELOPPEE. SON SCHEMA DE RESOLUTION EXPLICITE PERMET DE S'AFFRANCHIR DES LIMITATIONS RENCONTREES EN 3D PAR LA FORMULATION EN FREQUENCE. NOUS OBTENONS DES RESULTATS D'UNE PRECISION TRES SATISFAISANTE. LES LIMITATIONS DE LA METHODE VIENNENT DE L'AMPLIFICATION POSSIBLE DU BRUIT NUMERIQUE, ET SURTOUT D'UNE CROISSANCE RAPIDE DU TEMPS DE CALCUL, QUI RESTREINT LA TAILLE DES MODELISATIONS REALISABLES. CETTE ETUDE CONSTITUE LES DEUX PREMIERS CHAPITRES DU MEMOIRE. DES EXPRESSIONS ANALYTIQUES DES FONCTIONS DE GREEN DES LES MILIEUX ELASTIQUES A GRADIENT DE VITESSE CONSTANT ONT ETE PROPOSEES DE FACON HEURISTIQUE PAR SANCHEZ-SESMA ET AL. (1999). LEUR EMPLOI ETENDRAIT LE DOMAINE D'APPLICATION DES METHODES INTEGRALES. AU CHAPITRE 3, NOUS TESTONS CES FONCTIONS POUR LE CAS 3D, ET DETERMINONS LEUR APPLICABILITE. FINALEMENT, POUR S'AFFRANCHIR DES LIMITATIONS DES METHODES INTEGRALES SUR LA TAILLE DES MODELES SIMULABLES, TOUT EN UTILISANT LEUR CAPACITE A RESOUDRE AVEC PRECISION LES CONDITIONS DE SURFACE LIBRE, NOUS AVONS DEMARRE L'ETUDE D'UNE METHODE HYBRIDE COMBINANT ELEMENTS DE FRONTIERE ET METHODE DE DIFFERENCES FINIES, EN FREQUENCE. LE DERNIER CHAPITRE PROPOSE ESSENTIELLEMENT UNE ETUDE DE L'OPTIMISATION D'UN SCHEMA DE DIFFERENCES FINIES D'ORDRE 2.
Author: Fateh Bouchaala
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Pages : 230
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La modélisation de la propagation des ondes dans les milieux complexes 3d, inhomogènes, isotropes et viscoélastiques (milieux I.I.V.), est un sujet intéressant et largement d’actualité. cette modélisation aide pour la connaître la géométrie et les propriétés physiques des milieux géologiques. La viscosité du milieu de propagation est modélisée par la prise en compte de vitesses de propagation complexes. Le phénomène de propagation est modélisé par la théorie des rais avec la prise en compte de l’hypothese de faible viscosité (hypothèse non restrictive dans le domaine de la géophysique). Lles expressions analytiques des coefficients de réflexion transmission entre deux milieux viscoélastiques ont été établies avec une étude numérique de l’effet de la faible viscosité sur ces coefficients a été menée. Le code anray est, a l’origine, un code de simulation de la propagation des ondes dans les milieux inhomogènes 3d purement élastiques. son développement repose sur la théorie des rais. Le code anray a ensuite été modifie (anrayq), afin de l’adapter a la simulation de la propagation des ondes dans les milieux I.I.V. les résultats numériques du code anrayq, ont été confrontés aux résultats numériques issus du code 5kb, code de simulation base sur la méthode de réflectivité. Enfin, des données sismiques 3d, acquises lors de la campagne hydratech (Ifremer 2002), dans une région caractérisée par la présence des hydrates de gaz et du gaz libre, ont été simulées a l’aide du code anrayq. le profil de l’atténuation viscoélastique a été aussi déterminé a partir de ces données sismiques, afin de localiser les hydrates de gaz et le gaz libre dans les couches sédimentaires.
Author: Yann Grundt
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Nous presentons ici un outil d'analyse d'un modele sismique en 3 dimensions. Pour proceder a cette analyse nous avons developpe un algorithme de modelisation d'un sous-sol forme de terrains de vitesses constantes, separes par des discontinuites de forme quelconque. L'etude s'inscrit dans le cadre d'une modelisation de profil sismique vertical (psv). L'objectif etait de proposer un ensemble d'algorithmes suffisamment simples pour que l'usager puisse programmer un logiciel qui permet: de representer convenablement une structure du sous-sol; de calculer rapidement les temps de propagation de l'onde; de presenter graphiquement les resultats. L'etude expose d'abord la representation des surfaces par des fonctions de bezier, puis leur determination par l'approximation au sens des moindres carres. Nous montrons comment obtenir des surfaces de continuite c#1 ou c#2 utilisables dans la modelisation. A cet effet nous avons introduit des pentes locales et des approximations successives. Puis nous montrons comment trouver le temps de propagation d'une onde par le calcul de rais a extremites fixes. Les algorithmes sont fondes sur le lancer de rais. Les techniques d'optimisation utilisees sont les iterations d'interpolation lineaire et les iterations de newton-raphson. Nous donnons aussi une description schematique du logiciel developpe, qui est operationnel. Nous avons applique le logiciel a une etude de la structure geologique du site de soultz-sous-forets. Nous montrons comment la forme de la structure se reflete dans les temps de propagation et nous evaluons l'interet de la modelisation proposee. Nous effectuons une comparaison du calcul des temps de propagation. Lorsque les surfaces sont de continuite c#1 ou c#2, lorsque les calculs se font par les iterations d'interpolation lineaire ou par les iterations de newton-raphson. La conclusion ouvre quelques perspectives sur des recherches ulterieures
Author: Sylvie Kelner
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La diffraction des ondes sismiques par des milieux fissures en deux dimensions (2d) est etudiee par une methode d'equations integrales aux frontieres ou les fonctions de green sont calculees par la methode des nombres d'ondes discrets (dwbiem : discrete wavenumber boundary integral equations method). Cette methode semi-analytique est particulierement bien adaptee aux problemes de la propagation des ondes sismiques dans un milieu homogene contenant des fissures vides ou remplies de fluide. Toutes les conversions d'ondes sont modelisees en appliquant la dwbiem. En premier lieu, nous avons etudie, par simulations numeriques, comment des milieux fissures pouvaient etre caracterises sismiquement. Nous avons ainsi pu observer des phenomenes d'attenuation et d'anisotropie, selon que la longueur d'onde du champ d'ondes incident est du meme ordre de grandeur ou qu'elle est plus grande que la longueur des fissures. Nous avons retrouve un resultat deja connu qui concerne l'attenuation des ondes elastiques lorsqu'elles traversent un milieu fissure : l'attenuation est maximale lorsque la longueur d'onde incidente est proche de la longueur des fissures. Par ailleurs, nous avons modelise la couche de granite fissuree du site de garner valley, en californie, en nous basant sur la theorie des milieux homogenes equivalents. Plusieurs modeles de milieux fissures restituent bien le taux d'anisotropie observe a garner valley. Une etude comparative de l'attenuation d'ondes s enregistrees la-bas et d'ondes s synthetiques permet de conclure que l'anisotropie s'explique par la presence de fissures verticales (et non horizontales) mais ne permet pas de privilegier un modele plus qu'un autre. Enfin, nous avons simule numeriquement la reponse hydro-mecanique d'un massif fracture a un seisme. Les deformations des fissures et les variations de pression dues au champ d'ondes rayonne par une faille en glissement permettent de connaitre les zones d'expulsion de fluide.
Author: Chengyi Shen
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Book Description
The present study is an experimental and numerical work on the propagation of seismic waves in carbonate rocks at the laboratory-scale. We aim at producing seismic data that are comparable with field data so as to transfer the knowledge and techniques acquired and developed in field into the laboratory. In return, well-controlled laboratory-scale data can contribute to benchmarking tests on the latest imaging approaches as well as data processing procedures. Ultrasonic probes on natural rocks are fairly common in numerous engineering fields such as geophysical logging, civil engineering and materials science. In terms of ultrasonic sources, both the conventional piezoelectric transducer (PZT) and the laser-ablation pulse are used as a seismic source in our experimental configurations. In terms of receivers, a single-point Laser Doppler Vibrometer (LDV) is employed in most of the experimental setups. Additionally, a 3D wavefield-scan LDV has been used to perform multi-component measurements. The originality of this work consists in the comprehensive characterization of the laser source in a geophysical context and its use as a point-like megahertz source on the carbonate cores, which enabled us to propose original and efficient core-probing configurations for both experimentation and simulations. We developed and validated an experimental prototype featuring PZT-LDV or Laser-pulse-LDV as source-receiver configurations for high-resolution measurements. As to the numerical simulation, we adapted a Fortran code, initially dedicated to method developments at the field-scale, to the numerical production at the high-frequency (HF) laboratory-scale. We will show the results of calibrations on both the experimental and numerical tools including the polarization analysis on multi-component data, the results of the laser pulsed source characterization and the main tomography results from the First Arrival Travel-time (FAT) Tomography (FATT) featuring multi-grids, along with the parallelized 2D/3D simulations featuring the Interior Penalty Discontinuous Galerkin method (IPDGm). A brief demonstration of anisotropy analyses from FAT will also be given at the end. The latest generation of imaging method involves both the observed and synthetic data, such as the promising Full Waveform Inversion (FWI) that can push further the resolution limits of the classical tomography, which is the key motivation of our studies involving both the experiment and simulation.
