Dispositif d'acquisition sismique à haute résolution .
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un dispositif d'acquisition sismique pour la reconnaissance des sols marins par sismique réflexion, avec une très haute résolution et jusqu'à des profondeurs de sol pouvant atteindre la centaine de mètres.
ARRIERE-PLAN TECHNIQUE DE L'INVENTION
Actuellement, pour reconnaître les sols marins, on dispose d'une gamme variée de sources sismiques qui génèrent des ondes acoustiques . Chaque source est caractérisée par la bande ou spectre de fréquences de l'émission acoustique. A chaque spectre correspond une profondeur de pénétration de l'onde dans le sol et une résolution spécifique.
On utilise couramment deux types de sources : d'une part, les pénétrateurs de sédiments ou pingers qui sont des sources fonctionnant avec un transducteur et d'autre part, les boomers qui génèrent des ondes acoustiques par courant de Foucault dans deux plaques métalliques parallèles. Un exemple de pénétrateur de sédiments est décrit dans le brevet DE 1 046 103. Cette source émet un spectre qui peut être centré, à la demande, entre 2 et 5 kHz et qui a une faible pénétration (entre 0 et 10 m) mais une haute résolution.De son côté, le générateur d'ondes acoustiques par courant de Foucault émet un spectre qui est centré sur 700 Hz et qui a donc une pénétration plus importante (entre 0 et 70 m), mais une plus faible résolution dans la zone comprise entre 0 et 10 m.
C'est pourquoi, actuellement, pour avoir une bonne connaissance des sédiments marins, il est nécessaire de mettre en oeuvre ces deux types de sources à la fois, de manière à tirer parti de leurs qualités respectives. Mais cette technique est pénalisante sur le plan opérationnel du fait que l'on doit, soit remorquer les deux sources à la
fois et donc procéder à l'enregistrement simultané des deux sources sur deux enregistreurs différents, ce qui entraîne des interférences gênantes sur le plan électronique, soit effectuer deux passages successifs, chacun des passages étant réalisé avec une seule des deux sources. De plus, cette technique n'est guère satisfaisant dès que l'on opère à des profondeurs d'eau supérieures à 200 m.
L'article de GETTRUST J.F. et al "Development of a Low- Frequency, Deep-Towed Geoacoustics System" du 24 septembre 1990, pages 38 à 40, décrit un dispositif d'acquisition sismique connu sous le nom de DTAGS. Ce dispositif comprend un résonateur formé de cinq anneaux piezo-électriques disposés autour d'une cavité et qui émet sur une bande de fréquences comprise entre 250 et 650 Hz. Mais un tel dispositif est peu performant en raison de l'étroitesse de sa bande de fréquences. De plus, son poids considérable, 800 kg, le rend difficile à remorquer. Enfin, la technique dite "deep-tow", qui consiste à remorquer le transducteur à grande profondeur, au-dessus du fond marin avec un système d'acquisition multitrace est très difficile à mettre en oeuvre.
Par le brevet US-5 363 345 qui représente l'état de la technique la plus proche, on connaît un transducteur dit de Janus-Helmholtz qui est utilisable en milieu marin pour des applications exclusivement militaires. Il sert principalement à détecter des objets immergés, tels que des sous-marins. Ce transducteur comprend deux moteurs électroacoustiques disposés de part et d'autre d'une masse centrale et dont les axes sont alignés selon une direction horizontale, deux pavillons étant fixés sur les extrémités opposées des moteurs.
Le brevet FR 1 397 142 concerne une source sismique qui génère des vibrations de façon électrodynamique ou hydraulique, ces vibrations actionnant deux plaques puisantes. Toutefois, cette source ne permet pas d'effectuer la reconnaissance des sols marins avec une bonne résolution. Le brevet EP 0 209 238 concerne une source sismique de
nature différente de celle de la demande, car elle comprend un générateur d'impulsions électriques et un transformateur d ' adaptation.
RESUME DE L'INVENTION
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et propose un dispositif d'acquisition sismique utilisant une unique source sismique capable de remplacer les pénétrateurs de sédiments et les boomers, c'est-à-dire une source sismique ayant une pénétration bien supérieure à celle des pénétrateurs de sédiments, alliée à une haute résolution sur toute la gamme des profondeurs dans laquelle il opère.
L'invention concerne également un dispositif d'acquisition sismique qui peut être mis en oeuvre à une grande profondeur dans l'eau de mer sans que ses performances soient altérées. Elle concerne également un dispositif d'acquisition sismique qui a en plus, un faible encombrement, un poids modeste, une grande simplicité de mise en oeuvre et qui est particulièrement économique.
Pour obtenir ces résultats , 1 ' invention propose un dispositif d'acquisition sismique en milieu marin selon la revendication 1.
Ainsi pour la première fois en sismique marine, l'invention propose de combiner un transducteur basse fréquence à large bande de fréquences et grande profondeur d' immersion avec un calculateur, un amplificateur de puissance et un adaptateur d'impédance, en vue d'obtenir un niveau d'émission élevé sur une très large bande de fréquences qui est programmable à volonté.
L'utilisation d'un tel transducteur en sismique marine est en soi une idée inventive, car, comme on l'a expliqué précédemment, ce transducteur n'était utilisé que pour détecter des corps immergés, tels que des sous-marins et pour cette application particulière, l'axe des moteurs électro-acoustiques et des pavillons était orienté horizontalement. Dans l'application à la sismique marine qui
fait l'objet de la présente invention, il a fallu imaginer de donner audit axe d'autres orientations, par exemple la direction verticale, afin de diriger de manière optimum la puissance des ondes acoustiques. De façon surprenante, personne n'a pensé jusqu'à présent utiliser ce transducteur en sismique marine, bien qu'il permet d'obtenir des avantages considérables.On obtient en effet des émissions d'ondes acoustiques comprises entre quelques centaines de Hz à 10 000 Hz environ à des niveaux voisins de 200 dB sur une grande partie de cette bande de fréquences.
Le dispositif d'acquisition selon l'invention a donc à lui seul de meilleures performances que le pénétrateur de sédiments et le boomer. De plus, il est plus simple, plus léger et moins encombrant que ces deux sources .
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS.
L'invention sera décrite à présent en regard des dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une vue schématique en élévation du dispositif d'acquisition sismique selon l'invention, le transducteur étant représenté partiellement en coupe ;
La figure 2 est une vue depuis l'arrière du dispositif de la figure 1 ; la figure 3 représente en coordonnées polaires le diagramme de la directivité en site du transducteur selon 1 ' invention ; et la figure 4 est la courbe de variation du niveau d'émission en fonction de la fréquence de l'onde acoustique émise.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERE.
Avec référence aux figures 1 et 2, le dispositif d'acquisition sismique 10 selon l'invention comprend un transducteur émetteur d'ondes acoustiques basse fréquence 12, à large bande et grande profondeur d'immersion, un calculateur 13 destiné à programmer à volonté la bande de fréquences et la forme des ondes émises par le transducteur,
un amplificateur de puissance 14 qui pilote le transducteur pour donner aux ondes émises le niveau de puissance souhaité, un adaptateur d'impédance 16 pour permettre l'adaptation en large bande et en puissance et un récepteur d'ondes acoustiques 18, connu également sous le nom de flûte sismique.
Le transducteur 12 est du type Janus-Helmholtz. De façon connue en soi, ce transducteur comprend deux moteurs électroacoustiques 20, 22 de forme tubulaire, logés à l'intérieur d'un boîtier cylindrique qui est constitué de deux viroles cylindriques 24, 26 reliées entre elles par deux plaques 28. Les moteurs sont alignés le long de 1 ' axe x-x ' du boîtier et ils sont disposés de part et d'autre d'une masse centrale 30. Les moteurs sont insérés à l'intérieur de manchons tubulaires étanches 32, 34 dont les extrémités s'adaptent avec étanchéité autour de deux pavillons, dont un seul, 36, est visible sur la figure 1. Les moteurs sont reliés par une tige de précontrainte 35 dont les extrémités sont fixées sur les faces externes 38 des pavillons. Lesdites faces externes se trouvent dans le plan des extrémités axiales des deux viroles 24, 26 et leur bord périphérique extrême forme avec la paroi intérieure des viroles un faible intervalle annulaire 40.
Ce mode de liaison permet une liberté de mouvement des pavillons par rapport au boîtier et définit entre les pavillons et le boîtier une cavité fluide 46 partiellement fermée .
Les moteurs peuvent être réalisés par exemple par deux empilements de plaquettes piézo-électriques ou par des cylindres magnétostrictifs entourés d'une bobine d'excitation. L'alimentation des moteurs est réalisée par l'intermédiaire d'un câble d'alimentation 50 relié à une boîte de jonction 52, celle-ci étant elle-même reliée à l'adaptateur d'impédance 16 par un câble 54. Le transducteur 12 est logé à l'intérieur d'un carénage 56 composé de deux coquilles creuses 58, 60 qui sont assemblées le long de leur bord périphérique. Le carénage a
une forme hydrodynamique et est muni à l'arrière d'un empennage 61.
Dans le mode de réalisation représenté à la figure 1 , le transducteur est positionné de manière que son axe x-x' soit orienté verticalement. Cette orientation est choisie lorsqu'on veut envoyer le maximum de puissance dans la direction verticale. La figure 3 montre en coordonnées polaires le diagramme de la directivité en site du transducteur. Ce système de coordonnées est gradué en angles de site (0° pour la direction verticale vers le bas) et en cercles d'équipuissance. Le transducteur est représenté schématiquement au centre du système de coordonnées avec son axe orienté verticalement. La courbe de directivité est sensiblement en forme d'ellipse, le grand axe étant vertical et le petit axe étant horizontal. On constate que les ondes acoustiques émises par le transducteur ont leur puissance maximale dans la direction verticale. On conçoit toutefois que dans certaines applications, où l'on n'a pas besoin de la puissance maximale, l'axe du transducteur pourra être orienté dans une direction autre que verticale.
Le transducteur est piloté par l'amplificateur de puissance 14. Pour obtenir un niveau d'émission élevé, l'amplificateur doit être linéaire de classe AB ou D et délivrer une puissance comprise entre 3 et 9 kVA. L'adaptateur d'impédance 16 est constitué d'une inductance de compensation servant à corriger l'impédance du transducteur en faisant chuter sa capacité, d'un transformateur qui adapte l'impédance corrigée du transducteur à l'impédance de sortie de l'amplificateur de puissance et d'une résistance d'étouffement qui permet de diminuer la puissance d'excitation et de lisser la réponse du transducteur.
Comme le montre la figure 4, on obtient un spectre de fréquences sensiblement plat dans la gamme de fréquences comprise entre 600 et 2 000 Hz, à un niveau d'émission voisin de 200 dB. Ces deux fréquences sont les deux premières fréquences de résonnance du transducteur. Au delà
de 2 000 Hz, la réponse du transducteur décroît, mais on peut corriger cela par un traitement du signal. Le transducteur peut être piloté à des fréquences plus élevées allant jusqu'à 10 000 Hz. Le dispositif 10 est remorqué, par toute profondeur d'immersion, par un navire à une vitesse normale d'exploitation comprise entre 2 et 5 noeuds. La tolérance d'assiette est de quelques degrés afin d'assurer la meilleure directivité. L'horizontalité est réglée par un volume de flottabilité 57 placé à l'arrière. Le carénage comprend une pièce d'attache 59 sur laquelle sont percés des points d'ancrage 62, pour le remorquage par un câble tracteur 64 qui est indépendant du câble d'alimentation 54.
De façon connue en soi, le récepteur sismique 18 est constitué par une gaine contenant une pluralité d'hydrophones montés en série et équidistants . Le récepteur est remorqué à l'arrière du carénage, et il est connecté, à travers un passage 68, à la boîte de jonction 52 par l'intermédiaire d'un câble 69. Le récepteur sismique permet la réception des signaux en incidence subverticale. La longueur du tronçon actif du récepteur est choisie de manière à constituer un filtre spatio-temporel adapté à la gamme de fréquences.
En conclusion, l'invention propose un dispositif d'acquisition sismique basse fréquence capable d'opérer par grande profondeur d'immersion et d'émettre un signal s 'étendant sur une large bande de fréquences que l'on peut programmer à volonté par un calculateur. Ce dispositif peut balayer les fréquences comprises entre quelques centaines de Hz et 10 000 Hz environ. Le signal émis étant parfaitement connu, il permettra d'effectuer des traitements en amplitude, ce qui est actuellement impossible de faire avec les sources sismiques connues. Cette source remplace avantageusement le pénétrateur de sédiments et le boomer de la technique antérieure et permet donc de réaliser une économie substantielle. Son fonctionnement est satisfaisant à toutes les profondeurs d'immersion, y compris les plus
extrêmes, jusqu'à 11 000 m.