Expérimental characterization and analysis of fluid related seismic atténuation mechanisms in porous materials

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ID Serval
serval:BIB_84F20456268F
Type
Thèse: thèse de doctorat.
Collection
Publications
Titre
Expérimental characterization and analysis of fluid related seismic atténuation mechanisms in porous materials
Auteur(s)
Chapman Samuel A.
Directeur(s)
Holliger Klaus
Codirecteur(s)
Quintal Beatriz
Institution
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Adresse
Faculté des géosciences et de l'environnement
Université de Lausanne
CH-1015 Lausanne
SUISSE

Statut éditorial
Acceptée
Date de publication
2017
Langue
anglais
Résumé
En se propageant à travers l'écorce terrestre, l'amplitude d'une onde sismique diminue. L'une des raisons de cette diminution du signal est simplement liée à la répartition de l'énergie du signal sur une surface en expansion. Par ailleurs, l'amplitude décroît également parce qu'une partie de l'énergie est converti en chaleur. Ce phénomène, dénommé atténuation intrinsèque, est communément défini comme le ratio entre l'énergie dissipée et l'énergie moyenne de l'onde. Concrètement, la baisse d'énergie des ondes sismiques limite donc les capacités d'investigation des structures du sous-sol, mais la manière dont l'amplitude diminue peut néanmoins nous apporter des informations supplémentaires sur le sous-sol. L'atténuation intrinsèque peut être considérable, notamment lorsque des fluides occupent les espaces poreux d'une roche. Dans les roches saturées de fluides, plusieurs mécanismes d'atténuation physique entrent en considération. L'écoulement de fluide induit par des ondes (wave-induced fluid flow : WIFF) est particulièrement intéressant car il peut prendre différente formes, en lien avec les propriétés hydromécaniques de la roche, qui sont difficiles à caractériser sur le terrain. Potentiellement, un autre mécanisme peut aussi atténuer les ondes sismiques ; il s'agit de la dissolution-libération de gaz induite par des ondes (wave-induced exsolution dissolution : WIGED) sous forme de bulles micrométriques dans un liquide saturant la roche.
Afin de mieux comprendre ces mécanismes, j'ai réalisé des expériences en laboratoire, sur des roches et des échantillons poreux synthétiques partiellement et complètement saturés. La variation de l'atténuation avec la fréquence et la dispersion du module de rigidité associée ont été mesurées selon la méthode de l'oscillation forcée. Dans le Chapitre 2, j'étudie l'impact de la saturation en eau partielle, obtenue par imbibition, sur l'atténuation du mode d'extension et le module de Young pour un échantillon de grès Berea. L'analyse quantitative des résultats montre que la variation de l'atténuation observée avec la fréquence est consistante avec un WIFF mésoscopique en réponse à une distribution hétérogène de l'air et de l'eau dans les pores de l'échantillon. Dans le Chapitre 3, je m'intéresse à l'impact de la distribution du fluide dans le milieu poreux sur la dépendance en fréquence de l'atténuation mesurée. En passant d'une distribution hétérogène de poches de gaz mésoscopiques à une distribution homogène de bulles de gaz dans l'eau à l'échelle des pores, on observe un raidissement significatif de l'asymptote de l'atténuation dans les hautes fréquences. Une explication possible pour ce changement de comportement avec la fréquence est le passage d'un WIFF mésoscopique à un WIGED. Dans le Chapitre 4, j'étudie l'influence du niveau et de la méthode de saturation du milieu sur l'atténuation en fréquence pour un échantillon synthétique composé de perles de verre fritté. Les mesures corroborent l'hypothèse d'un WIGED comme nouveau mécanisme d'atténuation possible aux fréquences sismiques. Le Chapitre 5 se focalise sur l'étude de l'atténuation sismique dans du grès Berea totalement saturé, en utilisant également la méthode de l'oscillation forcée, mais en mesurant en plus les modes d'atténuation de l'élasticité isostatique et de cisaillement ainsi que leurs modules. Dans l'intervalle des fréquences considérées, en réponse à une transition drained-undrained et squirt-flow, l'atténuation dépend de la fréquence. Les deux sont des formes de WIFF, toutefois, la transition drained-undrained apparaît en réponse aux conditions aux limites imposées aux échantillons et le squirt-flow émerge entre des fissures malléables, contacts de grains et pores rigides.
Les observations présentées dans cette Thèse contribuent à améliorer la compréhension des plusieurs mécanismes d'atténuation dans les roches partiellement et totalement saturées. En particulier, en condition de saturation partielle, les expériences ne démontrent pas seulement l'impact de la distribution du fluide sur l'atténuation en fréquence, mais aussi les interactions entre les différents mécanismes. Cette Thèse peut, je l'espère, constituer une impulsion pour de prochaines recherches sur les mécanismes d'atténuation observés dans les roches partiellement saturées.
Création de la notice
08/12/2017 15:58
Dernière modification de la notice
20/08/2019 15:44
Données d'usage