WO2020021177A1 - Procede et dispositif de surveillance du sous-sol terrestre sous une zone cible - Google Patents

Procede et dispositif de surveillance du sous-sol terrestre sous une zone cible Download PDF

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waves
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Thomas Bardainne
Baptiste Rondeleux
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Sercel SAS
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    • G01V2210/6161—Seismic or acoustic, e.g. land or sea measurements

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for monitoring the earth's subsoil under a target area.
  • This method has the drawback of limiting the information obtained to the subsoil located directly under the line of sensors and does not make it possible to produce a three-dimensional image of the subsoil under the railroad, but concerns a two-dimensional image of a line underground, parallel to the railway.
  • the noise of the trains is mixed with all the other noises and used when these are distant from the receivers in order to be aligned with the line of receivers.
  • the noise picked up by the receivers is therefore weak and not very conducive to imaging.
  • the object of the present invention is to remedy the drawbacks of the prior art.
  • the present invention provides a method of monitoring the earth's subsoil under a target area according to claim 1.
  • seismic wave sensors are arranged on either side of the target area, and an identified seismic noise source moves, preferably outside the target area and even outside the space defined by the sensors.
  • the method comprises the recording over specified periods of waves originating from the source by pairs of sensors, the periods being chosen so that the source and the pairs of sensors are aligned, the target zone being located between the sensors of the couples considered, then the reconstruction by interferometry of a seismogram from these records. The seismogram then generates an image of the subsoil under the target area.
  • a mobile seismic noise source whose characteristics are known thanks to the analysis of the signal itself and does not require a priori information and on the other hand, at least two sensors which for a certain period of time will be aligned with this noise source, allows passive surveillance in space and time, that is to say in four dimensions, of large amplitude and in high resolution, of the part of the basement located under the surface where the sensors are arranged, provided that the mobile noise source is aligned with the pair of sensors at least at a given time.
  • a pair of sensors is placed on either side of a target area (for example a railway track), it is possible to generate an image of the basement under this target area if a mobile source (for example a train on another track) passes nearby and aligns at least a given instant with the pair of sensors.
  • a mobile source for example a train on another track
  • the multiplication of sensors around the target area allows to generate the three-dimensional image of the target area thanks to the movement of the source.
  • the method further comprises, prior to the reconstruction step, a step of pretreatment of the recorded seismic waves.
  • the pretreatment step includes denoising and frequency filtering operations.
  • the pretreatment step may include a spectral bleaching operation and / or a binarization operation.
  • This type of operation simplifies subsequent processing of reconstruction of the seismogram.
  • At least one operation of intercorrelation of signals from the seismic waves respectively recorded by the two sensors of the pair of sensors is carried out.
  • the recording step is carried out continuously over time.
  • the method further comprises, following the reconstruction step, a step of adding reconstructed signals from the seismogram coming from several mobile noise sources respectively aligned with the pair of sensors for periods separate times.
  • This addition step makes it possible to strengthen the quality and reliability of the reconstruction.
  • a tomography of the reconstructed signals corresponding to the refracted waves P is carried out from the aforementioned arrival times, so as to produce a model of P wave speed.
  • the sensors can comprise at least one geophone and / or at least one accelerometer and / or at least one sensor based on the use of optical fibers, for example of the DAS type.
  • distributed acoustic sensor in English “Distributed Acoustic Sensing”
  • the sensors can be placed in at least two lines, or on grids of square or hexagonal shape, and / or can be spaced regularly.
  • the aforementioned target area may be a railway or a road or other civil engineering structure, or a building.
  • the target area can be a first railroad track and the source can be a train traveling on a second railroad track substantially parallel to the first railroad track.
  • the sensors can be regularly spaced on two parallel lines surrounding the first railway.
  • the present invention also provides a device for monitoring the earth's subsoil under a target area, remarkable in that it comprises elements suitable for implementing steps of a method such that succinctly described above.
  • the particular characteristics and advantages of the device being similar to those of the method, they are not repeated here.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating steps of a method of monitoring the earth's subsoil under a target area according to the present invention, in a particular embodiment
  • FIG. 2 is a schematic view illustrating a configuration of recording seismic waves in a non-limiting example where the target area is a railroad;
  • FIG. 3 is a schematic view illustrating a configuration of reconstruction of virtual propagation paths in the example of Figure 2;
  • FIG. 4 is a schematic view illustrating a configuration of reconstruction of virtual propagation paths along several azimuths, in the example of Figure 2;
  • FIG. 5 is a schematic view illustrating a configuration of reconstruction of virtual propagation paths along several azimuths and using several railways.
  • FIG. 6 is a schematic view of a preferred embodiment of the invention.
  • a first step 10 of the method of monitoring the earth's subsoil under a target area according to the invention at least for a predetermined period of time, data are recorded. seismic waves.
  • seismic waves come from a mobile source of seismic noise, that is to say a moving source and whose displacement produces noise.
  • This noise source is known in the sense that it is well identified. It is therefore not an ambient noise of unidentified origin.
  • the recording of these seismic waves is carried out by means of at least a pair of sensors arranged so as to be aligned with the noise source during the aforementioned period of time.
  • the pairs of sensors can be arranged in different arrangements, such as regularly spaced along straight lines as shown in Figure 2 described below, but they can also be spaced irregularly, along all kinds of curves, or on regular or non-square grids of square or hexagonal shape or whatever. They can also be placed randomly.
  • FIG. 2 gives, by way of nonlimiting example, a recording configuration in the case where the target area is a railroad track 20. Nevertheless, the invention applies just as well to a target area constituted by a road, or another building or other infrastructure, such as an airport.
  • a plurality of receivers or seismic wave sensors 22 is deployed along the railroad track 20, called the target track, on either side thereof. These sensors 22 are distributed between a “Receiver line A” 22A and a “Receiver line B” 22B.
  • the sensors 22 can for example comprise at least one geophone and / or at least one accelerometer and / or at least one sensor based on the use of optical fibers, for example of the DAS type (distributed acoustic sensor, in English "Distributed Acoustic Sensing ").
  • the sensors 22 can for example be arranged at regular intervals from one another, for example a few meters apart, leaving for example 2 meters between each sensor 22.
  • the sensors 22 may be placed on the surface of the ground or be slightly buried, that is to say placed a few meters below the surface of the ground. They can be deployed on or under the ballast, or on or under the rails or in a railway tunnel.
  • the plurality of sensors 22 includes at least a pair of sensors 220, 221 arranged opposite one another, on either side of the railroad track 20, transversely to the latter.
  • the source of mobile seismic noise is a train 24 traveling on a railway track 21, called source track, distinct from the target railway track 20.
  • the noise emitted by the moving train 24 is symbolized in the drawing by arrows in the form of circles. 26. This noise mainly comes from the contact of the wheels of the train 24 on the rails of the track 21.
  • the assembly comprising the plurality of sensors 22, the mobile source 24 of seismic noise and a module adapted to carry out the processing of the method of monitoring the subsoil described here, forms a device for monitoring the subsoil according to the invention .
  • the sensors 220 and 221 record seismic waves which will be the subject of the subsequent treatments of the method according to the invention.
  • This period of time is predetermined, since we know the kinematic parameters of train 24, namely, its position and speed at all times. In this sense, the source of mobile seismic noise that constitutes the train 24 is identified.
  • the recording step 10 can be limited to this predetermined period of time. As a variant, the recording can take place continuously over time.
  • the step 10 of recording the seismic waves can be followed by a step 11 of preprocessing of the seismic waves recorded by the sensors 22.
  • These pretreatments can be of various types and include at least one denoising phase and one frequency filtering phase.
  • the noise is removed main surrounding of the seismic noise produced by the train 24.
  • This main surrounding noise is an electrical noise linked to the catenaries of which the characteristics are known. This produces a signal with an improved signal-to-noise ratio.
  • the signal is filtered in a predetermined frequency band which corresponds both to the estimated emission band of train 24 and to the frequency band of interest, which depends on the depth d interest of the investigation of the subsoil under the target area that constitutes the railway 20.
  • the denoising phase and the frequency filtering phase optionally, it is also possible to perform a spectral bleaching operation and / or a binarization operation.
  • the spectral bleaching operation also called spectral equalization, a technique known per se, consists in weighting all the frequency components of the signal so that they all have the same energy representation.
  • the binarization operation also known per se, consists in assigning a value -1 or +1 to each instantaneous value of the signal, to simplify the signal.
  • a step 12 of reconstruction of a seismogram of the target area is carried out.
  • This reconstruction step 12 uses the recorded and possibly pretreated seismic waves and applies an interferometry technique to them.
  • This interferometry technique comprises for example at least one operation of intercorrelation of signals from the seismic waves respectively recorded by the sensors 220 and 221 during the predetermined period of time when the train 24 passes on the source track 21.
  • This technique of interferometry makes it possible to reconstruct virtual transverse propagation paths, here perpendicular, to the target railway track 20. These virtual propagation paths characterize the seismogram.
  • FIG. 3 schematically illustrates these virtual propagation paths for each pair of sensors facing each other on either side of the target railway 20.
  • any other interferometry technique could be applied during this reconstruction step 12, such as for example a method based on convolution operations in place of the above-mentioned intercorrelation operations.
  • the reconstruction step 12 can be carried out for different azimuths. Indeed, intercorrelation operations can be carried out, not only between the signals from the seismic waves recorded by the pairs of sensors located opposite one another like the pair of sensors 220 and 221, but also between the pairs of sensors arranged analogously to sensors A5 and B6 or to sensors A7 and B6, that is to say the pairs of sensors for which the straight line which passes through the barycenters of the two torque sensors forms a non-zero angle with perpendicular to the target track 20.
  • the reconstruction step 12 can be carried out not only for different azimuths, but also by using several railways associated with pairs of sensors.
  • the source channel 21, parallel to the channels 201 to 204, is located opposite the “receiver line 22A” as in FIGS. 2 to 4 but for simplicity, is not shown in FIG. 5.
  • each railway allows a reconstruction of a seismogram of the area located under the adjacent railroad, using the pairs of sensors deployed on either side of this adjacent railroad.
  • the temporal variations of the propagation times can be used in permanent monitoring, for the purpose of measuring the appearance of anomalies.
  • step 13 With reference to FIG. 1, following the reconstruction step 12, it is optionally possible to carry out a step 13 of adding or “stacking” (reconstructed in English) of reconstructed signals originating from waves seismic signals received from several sources 24 of mobile seismic noise.
  • noise sources are trains
  • several trains running at different times, having different lengths and speeds, which will therefore be aligned with a pair of sensors of the torque type 220, 221 for separate periods of time, will provide similar reconstructed signals.
  • a step 14 of generating an image of the basement under the target area is carried out, from the previously reconstructed seismogram.
  • the treatments differ according to the type of seismic waves recorded in step 10. In fact, it is possible to record either surface waves, or refracted waves, or possibly reflected waves. In an embodiment where in step 10, surface seismic waves are recorded, the following operations are carried out to obtain an image of the subsoil under the target area.
  • dispersion curves of the surface waves in the reconstructed signals are determined in a predetermined frequency band.
  • this frequency band can be the band from 1 to 100 Hz.
  • step 10 refracted seismic waves are recorded, the following operations are carried out to obtain an image of the subsoil under the target area.
  • the arrival times of the reconstructed signals of the seismogram, corresponding to the refracted seismic waves, are determined.
  • reflected seismic waves could be recorded in step 10. This would then lead to an image of the reflectivity of the subsoil under the target area.
  • the signals are processed independently up to the dots, which are then combined, the dots being the dispersion curves for the surface waves and the first arrival times for the refracted waves.
  • the image of the target underground 3 under a railway track 20, of width of the order of 1.5 m, spaced from a parallel source track 21, can be carried out by two lines of sensors of the conventional accelerometer type spaced 5 m apart framing the railroad track 20, the sensors 22 of each line being separated by 3 m, the sensors being staggered to homogenize the resolution of the three-dimensional image obtained by intercorrelation to be on the scale of the track.
  • the treatment of surface and refracted waves achieves a resolution of 2 m, or even less.
  • a reconciliation of the sensor lines can be implemented, for example by directly associating the sensors with the rails of the track, that is to say by spacing them of the order of 1.5 m, and / or by using two optical fibers for DAS, thus creating sensors spaced on the order of 60 cm.
  • the method according to the invention includes passive monitoring of the subsoil under a target area in the sense that it deals with seismic waves received, but does not produce any. Nevertheless, it is possible to envisage combining the sensors which receive the seismic waves with active seismic sources, in order to apply treatments of the type described in the document US-A-2017 052269.

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Abstract

Pour surveiller le sous-sol terrestre sous une zone cible (3), on enregistre des ondes sismiques provenant d'une source (24) mobile de bruit identifiée, au moyen d'au moins un couple de capteurs (22) disposés de part et d'autre de la zone cible (3), on sélectionne des périodes temporelles correspondant aux alignements des couples de capteurs (22) avec la source (24) de bruit, on reconstruit par interférométrie un sismogramme de la zone cible (3) à partir des ondes sismiques enregistrées et des périodes temporelles sélectionnées et on engendre une image du sous-sol de la zone cible (3) à partir du sismogramme.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE SURVEILLANCE DU SOUS-SOL TERRESTRE
SOUS UNE ZONE CIBLE
La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif de surveillance du sous-sol terrestre sous une zone cible.
Elle appartient au domaine de l'analyse sismique et trouve application notamment dans les activités de surveillance du sous-sol terrestre et de détection d'anomalies dans ce dernier, comme la détection de cavités sous des voies ferrées, des routes, des bâtiments ou encore des aéroports.
Afin de garantir la sécurité des utilisateurs de ces infrastructures terrestres, il est en effet important de procéder à une surveillance instantanée, temporaire ou permanente du sous-sol, afin de détecter toute éventuelle anomalie souterraine telle qu'une cavité, susceptible de fragiliser les ouvrages construits en surface.
Dans un article intitulé « Seismic interferometry of railroad induced ground motions: body and surface wave imaging », publié dans Geophys. J. Int. 205, 2016, pages 301-313, Diego A. QUIROS et al. ont proposé une méthode de génération de trajets virtuels de propagation le long d'une voie ferrée, à partir de l'analyse interférométrique du bruit ambiant, capté par une ligne unique de récepteurs ou capteurs d'ondes sismiques déployée le long de cette voie ferrée.
Cette méthode présente l'inconvénient de limiter l'information obtenue au sous-sol localisé directement sous la ligne de capteurs et ne permet pas de produire une image tridimensionnelle du sous-sol sous la voie ferrée, mais concerne une image bidimensionnelle d'une ligne souterraine, parallèle à la voie ferrée.
De plus, dans cette méthode purement passive, le bruit des trains est mélangé à tous les autres bruits et utilisé lorsque ceux-ci sont éloignés des récepteurs afin d'être alignés avec la ligne de récepteurs. Le bruit capté par les récepteurs est donc faible et peu propice à l'imagerie.
Les documents "Near-surface velocity imaging using traffic induced high-frequency ground motion", de N. NAKATA et coll. (SEG 2017, p. 2940- 2945) et "Distributed acoustic sensing for seismic monitoring of the near surface: a traffic-noise interferometry case study" de S. DOU et coll., Scientific Reports 2017; 7: 11620 présentent des approches similaires, avec les mêmes inconvénients d'imagerie 2D à proximité des zones à étudier.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients de l'art antérieur.
Dans ce but, la présente invention propose un procédé de surveillance du sous-sol terrestre sous une zone cible conforme à la revendication 1.
En particulier, des capteurs d'ondes sismiques sont disposés de part et d'autre de la zone cible, et une source de bruit sismique identifiée se déplace, de préférence hors de la zone cible et même hors de l'espace défini par les capteurs. Le procédé comprend l'enregistrement sur des périodes déterminées des ondes provenant de la source par des couples de capteurs, les périodes étant choisies pour que la source et les couples de capteurs soient alignés, la zone cible étant localisée entre les capteurs des couples considérés, puis la reconstruction par interférométrie d'un sismogramme à partir de ces enregistrements. Le sismogramme génère alors une image du sous-sol sous la zone cible.
Ainsi, le fait d'utiliser, d'une part, une source de bruit sismique mobile dont les caractéristiques sont connues grâce à l'analyse du signal lui-même et ne nécessitent pas d'information a priori et d'autre part, au moins deux capteurs qui pendant une certaine période de temps vont être alignés avec cette source de bruit, permet une surveillance passive dans l'espace et le temps, c'est-à-dire à quatre dimensions, de grande amplitude et à haute résolution, de la partie du sous-sol située sous la surface où sont disposés les capteurs, à la condition que la source de bruit mobile soit alignée avec le couple de capteurs à au moins un instant donné.
Ainsi, si un couple de capteurs est disposé de part et d'autre d'une zone cible (par exemple d'une voie de chemin de fer), il est possible d'engendrer une image du sous-sol sous cette zone cible si une source mobile (par exemple un train sur une autre voie) passe à proximité et s'aligne à au moins un instant donné avec le couple de capteurs. La multiplication des capteurs autour de la zone cible, par exemple en les positionnant parallèlement de chaque côté d'une voie ferrée, ou même sur chacun des rails d'une voie ferrée, permet de générer l'image tridimensionnelle de la zone cible grâce au mouvement de la source.
Dans un mode particulier de réalisation, le procédé comporte en outre, préalablement à l'étape de reconstruction, une étape de prétraitement des ondes sismiques enregistrées.
Cela permet d'obtenir des signaux de qualité optimale, ce qui accroît la fiabilité de l'image du sous-sol obtenue.
Avantageusement, l'étape de prétraitement comporte des opérations de débruitage et de filtrage en fréquence.
De façon optionnelle, l'étape de prétraitement peut comporter une opération de blanchiment spectral et/ou une opération de binarisation.
Ce type d'opération permet de simplifier les traitements ultérieurs de reconstruction du sismogramme.
Dans un mode particulier de réalisation, lors de l'étape de reconstruction par interférométrie, on effectue au moins une opération d'intercorrélation de signaux issus des ondes sismiques respectivement enregistrées par les deux capteurs du couple de capteurs.
Cela permet de reconstruire efficacement le sismogramme.
Dans un mode particulier de réalisation, l'étape d'enregistrement est effectuée de façon continue dans le temps.
Cela permet de produire des états du sous-sol à une périodicité choisie, par exemple quotidienne ou hebdomadaire ou mensuelle.
Dans un mode particulier de réalisation, le procédé comporte en outre, à la suite de l'étape de reconstruction, une étape d'addition de signaux reconstruits du sismogramme provenant de plusieurs sources de bruit mobiles respectivement alignées avec le couple de capteurs pendant des périodes de temps distinctes.
Cette étape d'addition permet de renforcer la qualité et la fiabilité de la reconstruction.
Dans un mode particulier de réalisation, lors de l'étape d'enregistrement, on enregistre des ondes sismiques de surface.
Dans ce mode de réalisation, lors de l'étape de génération de l'image : on détermine des courbes de dispersion des ondes de surface dans les signaux reconstruits du sismogramme dans une bande de fréquences prédéterminée ;
on réalise une tomographie de la vitesse des signaux reconstruits à partir des courbes de dispersion ; et
on effectue une inversion des vitesses d'ondes de surface des signaux reconstruits, de façon à produire un modèle de vitesse d'ondes P et S.
En variante, lors de l'étape d'enregistrement, on peut enregistrer des ondes sismiques réfractées.
Dans cette variante, lors de l'étape de génération de l'image :
on détermine les temps d'arrivée des signaux reconstruits du sismogramme correspondant aux ondes sismiques réfractées ; et
on réalise une tomographie des signaux reconstruits correspondant aux ondes réfractées P à partir des temps d'arrivée précités, de façon à produire un modèle de vitesse d'ondes P.
Selon des caractéristiques particulières possibles, on peut enregistrer des ondes sismiques réfléchies, les capteurs peuvent comporter au moins un géophone et/ou au moins un accéléromètre et/ou au moins un capteur basé sur l'utilisation de fibres optiques, par exemple de type DAS (capteur acoustique réparti, en anglais « Distributed Acoustic Sensing »), les capteurs peuvent être placés selon au moins deux lignes, ou sur des grilles de forme carrée ou hexagonale, et/ou peuvent être espacés régulièrement.
La zone cible précitée peut être une voie ferrée ou une route ou un autre ouvrage de génie civil, ou un bâtiment.
La zone cible peut être une première voie ferrée et la source peut être un train se déplaçant sur une deuxième voie ferrée sensiblement parallèle à la première voie ferrée. Les capteurs peuvent être disposés de façon régulièrement espacée sur deux lignes parallèles entourant la première voie ferrée.
Dans le même but que celui indiqué plus haut, la présente invention propose également un dispositif de surveillance du sous-sol terrestre sous une zone cible, remarquable en ce qu'il comporte des éléments adaptés à mettre en œuvre des étapes d'un procédé tel que succinctement décrit ci-dessus. Les caractéristiques particulières et les avantages du dispositif étant similaires à ceux du procédé, ils ne sont pas répétés ici.
D'autres aspects et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples nullement limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est un organigramme illustrant des étapes d'un procédé de surveillance du sous-sol terrestre sous une zone cible conforme à la présente invention, dans un mode particulier de réalisation ;
- la figure 2 est une vue schématique illustrant une configuration d'enregistrement d'ondes sismiques dans un exemple nullement limitatif où la zone cible est une voie ferrée ;
- la figure 3 est une vue schématique illustrant une configuration de reconstruction de trajets virtuels de propagation dans l'exemple de la figure 2 ;
- la figure 4 est une vue schématique illustrant une configuration de reconstruction de trajets virtuels de propagation suivant plusieurs azimuts, dans l'exemple de la figure 2 ;
- la figure 5 est une vue schématique illustrant une configuration de reconstruction de trajets virtuels de propagation suivant plusieurs azimuts et en utilisant plusieurs voies ferrées ; et
- la figure 6 est une vue schématique d'un mode préféré de réalisation de l'invention.
Comme le montre l'organigramme de la figure 1, au cours d'une première étape 10 du procédé de surveillance du sous-sol terrestre sous une zone cible conforme à l'invention, au moins pendant une période de temps prédéterminée, on enregistre des ondes sismiques.
Ces ondes sismiques proviennent d'une source mobile de bruit sismique, c'est-à-dire une source en déplacement et dont le déplacement produit du bruit. Cette source de bruit est connue au sens où elle est bien identifiée. Il ne s'agit donc pas d'un bruit ambiant d'origine non identifiée. L'enregistrement de ces ondes sismiques est réalisé au moyen d'au moins un couple de capteurs disposés de façon à être alignés avec la source de bruit pendant la période de temps précitée.
Les couples de capteurs peuvent être disposés selon différents agencements, comme par exemple régulièrement espacés le long de lignes droites comme le montre la figure 2 décrite ci-après, mais ils peuvent aussi être espacés de façon irrégulière, suivant toutes sortes de courbes, ou sur des grilles régulières ou non de forme carrée ou hexagonale ou quelconque. Ils peuvent aussi être placés de façon aléatoire.
La figure 2 donne à titre d'exemple nullement limitatif une configuration d'enregistrement dans le cas où la zone cible est une voie ferrée 20. Néanmoins, l'invention s'applique tout aussi bien à une zone cible constituée par une route, ou encore un bâtiment ou une autre infrastructure, comme par exemple un aéroport.
Une pluralité de récepteurs ou capteurs d'ondes sismiques 22 est déployée le long de la voie ferrée 20, dite voie cible, de part et d'autre de celle-ci. Ces capteurs 22 sont répartis entre une « Ligne récepteur A » 22A et une « Ligne récepteur B » 22B. Les capteurs 22 peuvent par exemple comporter au moins un géophone et/ou au moins un accéléromètre et/ou au moins un capteur basé sur l'utilisation de fibres optiques, par exemple du type DAS (capteur acoustique réparti, en anglais « Distributed Acoustic Sensing »).
Sur chaque côté de la voie ferrée cible 20, les capteurs 22 peuvent par exemple être disposés à intervalles réguliers les uns des autres, par exemple à quelques mètres d'intervalle, en laissant par exemple 2 mètres entre chaque capteur 22.
Les capteurs 22 peuvent être placés à la surface du sol ou être légèrement enterrés, c'est-à-dire placés à quelques mètres sous la surface du sol. Ils peuvent être déployés sur ou sous le ballast, ou bien sur ou sous les rails ou encore dans un tunnel ferroviaire.
La pluralité de capteurs 22 comporte au moins un couple de capteurs 220, 221 disposés en regard l'un de l'autre, de part et d'autre de la voie ferrée 20, de façon transversale à celle-ci. La source de bruit sismique mobile est un train 24 circulant sur une voie ferrée 21, dite voie source, distincte de la voie ferrée cible 20. Le bruit émis par le train 24 en mouvement est symbolisé sur le dessin par des flèches en forme de cercles 26. Ce bruit provient principalement du contact des roues du train 24 sur les rails de la voie ferrée 21.
L'ensemble comportant la pluralité de capteurs 22, la source 24 mobile de bruit sismique et un module adapté à réaliser les traitements du procédé de surveillance du sous-sol décrit ici, forme un dispositif de surveillance du sous- sol conforme à l'invention.
Si on considère le couple de capteurs 220, 221, il va se trouver dans l'alignement du train 24 pendant une période de temps prédéterminée définie par un premier instant où le point de contact de la première roue du train 24 avec le rail est sur la droite qui passe par le barycentre des capteurs 220 et 221 et un second instant où le point de contact de la dernière roue du train 24 avec le rail est sur la droite qui passe par le barycentre des capteurs 220 et 221.
Conformément à l'invention, pendant cette période de temps, les capteurs 220 et 221 enregistrent des ondes sismiques qui vont faire l'objet des traitements ultérieurs du procédé conforme à l'invention. Cette période de temps est prédéterminée, étant donné qu'on connaît les paramètres cinématiques du train 24, à savoir, sa position et sa vitesse à chaque instant. En ce sens, la source de bruit sismique mobile que constitue le train 24 est identifiée.
L'étape 10 d'enregistrement peut être limitée à cette période de temps prédéterminée. En variante, l'enregistrement peut avoir lieu de façon continue dans le temps.
En référence à l'organigramme de la figure 1, de façon optionnelle, l'étape 10 d'enregistrement des ondes sismiques peut être suivie d'une étape 11 de prétraitements des ondes sismiques enregistrées par les capteurs 22.
Ces prétraitements peuvent être de divers types et incluent au moins une phase de débruitage et une phase de filtrage en fréquence.
Dans l'exemple non limitatif décrit ici d'une voie ferrée, lors de la phase de débruitage des ondes sismiques enregistrées, on enlève le bruit principal environnant du bruit sismique produit par le train 24. Ce bruit principal environnant est un bruit électrique lié aux caténaires dont on connaît les caractéristiques. On obtient ainsi un signal avec un rapport signal sur bruit amélioré.
Lors de la phase de filtrage en fréquence, on filtre le signal dans une bande de fréquences prédéterminée qui correspond à la fois à la bande d'émission estimée du train 24 et à la bande de fréquence d'intérêt, laquelle dépend de la profondeur d'intérêt de l'investigation du sous-sol sous la zone cible que constitue la voie ferrée 20.
En outre, entre la phase de débruitage et la phase de filtrage en fréquence, de façon optionnelle, on peut en outre effectuer une opération de blanchiment spectral et/ou une opération de binarisation.
L'opération de blanchiment spectral, appelé aussi égalisation spectrale, technique connue en soi, consiste à pondérer toutes les composantes fréquentielles du signal de telle façon qu'elles aient toutes la même représentation énergétique.
L'opération de binarisation, également connue en soi, consiste à attribuer une valeur -1 ou +1 à chaque valeur instantanée du signal, pour simplifier le signal.
D'autres types de prétraitements peuvent être appliqués.
A l'issue de l'étape 10 d'enregistrement et de l'étape 11 éventuelle de prétraitement des ondes sismiques enregistrées par les capteurs 22, une étape 12 de reconstruction d'un sismogramme de la zone cible est effectuée.
Cette étape 12 de reconstruction utilise les ondes sismiques enregistrées et éventuellement prétraitées et leur applique une technique d'interférométrie.
Cette technique d'interférométrie comporte par exemple au moins une opération d'intercorrélation de signaux issus des ondes sismiques respectivement enregistrées par les capteurs 220 et 221 pendant la période de temps prédéterminée où le train 24 passe sur la voie source 21. Cette technique d'interférométrie permet de reconstruire des trajets virtuels de propagation transverses, ici perpendiculaires, à la voie ferrée cible 20. Ces trajets virtuels de propagation caractérisent le sismogramme. La figure 3 illustre schématiquement ces trajets virtuels de propagation pour chaque couple de capteurs en regard l'un de l'autre de part et d'autre de la voie ferrée cible 20.
En variante, toute autre technique d'interférométrie pourrait être appliquée lors de cette étape 12 de reconstruction, comme par exemple une méthode à base d'opérations de convolution en lieu et place des opérations d'intercorrélation susmentionnées.
Comme illustré par la figure 4, l'étape 12 de reconstruction peut être effectuée pour différents azimuts. En effet, on peut effectuer des opérations d'intercorrélation, non seulement entre les signaux issus des ondes sismiques enregistrées par les couples de capteurs situés en regard l'un de l'autre comme le couple de capteurs 220 et 221, mais également entre les couples de capteurs disposés de façon analogue aux capteurs A5 et B6 ou aux capteurs A7 et B6, c'est-à-dire les couples de capteurs pour lesquels la droite qui passe par les barycentres des deux capteurs du couple forme un angle non nul avec la perpendiculaire à la voie ferrée cible 20.
Par ailleurs, comme illustré par la figure 5, l'étape 12 de reconstruction peut être effectuée non seulement pour différents azimuts, mais en outre en utilisant plusieurs voies ferrées associées à des couples de capteurs. La voie source 21, parallèle aux voies 201 à 204, est située en regard de la « ligne récepteur 22A » comme sur les figures 2 à 4 mais pour simplifier, n'est pas représentée sur la figure 5.
Ainsi, lorsqu'un train passe sur la voie source 21, on peut reconstruire par interférométrie des trajets virtuels de propagation entre les lignes 22A et 22B et/ou entre les lignes 22B et 22C et/ou entre les lignes 22C et 22D et/ou entre les lignes 22D et 22E. Autrement dit, pour chaque couple de voies ferrées adjacentes, chaque voie ferrée permet une reconstruction d'un sismogramme de la zone située sous la voie ferrée adjacente, en utilisant les couples de capteurs déployés de part et d'autre de cette voie ferrée adjacente.
On a décrit ci-dessus la reconstruction de trajets virtuels de propagation transverses, c'est-à-dire transversaux à la voie ferrée, en utilisant la fenêtre temporelle dans laquelle le train 24 est aligné avec un couple de capteurs du type du couple 220, 221 : les couples de capteurs permettent d'étudier la variation de trajet du bruit sismique.
En variante, il est possible d'utiliser la corrélation, par convolution, entre deux capteurs de part et d'autre d'une voie et le signal émis par un train sur cette même voie. Ainsi, les variations temporelles des temps de propagation peuvent être utilisées en surveillance permanente, à des fins de mesure d'apparition d'anomalies.
En référence à la figure 1, à la suite de l'étape 12 de reconstruction, on peut, de façon optionnelle, effectuer une étape 13 d'addition ou « empilement » (en anglais « stacking ») de signaux reconstruits provenant d'ondes sismiques captées en provenance de plusieurs sources 24 de bruit sismiques mobiles.
Dans l'exemple non limitatif décrit ici où ces sources de bruit sont des trains, plusieurs trains circulant à des moments différents, ayant des longueurs et des vitesses différentes, qui vont donc être alignés avec un couple de capteurs du type du couple 220, 221 pendant des périodes de temps distinctes, vont fournir des signaux reconstruits similaires.
L'addition de ces signaux multiples permet d'améliorer le rapport signal sur bruit et donc, d'obtenir in fine une image de meilleure qualité du sous-sol sous la zone cible. Par ailleurs, cela permet de produire, pour un couple donné de capteurs du type du couple 220, 221, des trajets virtuels de propagation de façon ponctuelle ou périodique à une périodicité choisie, à savoir, quotidienne ou hebdomadaire ou encore mensuelle, par exemple.
Comme le montre la figure 1, à l'issue de l'étape 12 de reconstruction et de l'éventuelle étape 13 d'addition, on effectue une étape 14 de génération d'une image du sous-sol sous la zone cible, à partir du sismogramme reconstruit précédemment.
Lors de cette étape 14 de génération d'une image, les traitements diffèrent selon le type d'ondes sismiques enregistrées à l'étape 10. En effet, on peut enregistrer, soit des ondes de surface, soit des ondes réfractées, soit éventuellement des ondes réfléchies. Dans un mode de réalisation où à l'étape 10, on enregistre des ondes sismiques de surface, on effectue les opérations suivantes pour obtenir une image du sous-sol sous la zone cible.
On détermine tout d'abord des courbes de dispersion des ondes de surface dans les signaux reconstruits, dans une bande de fréquences prédéterminée. A titre d'exemple non limitatif, cette bande de fréquences peut être la bande de 1 à 100 Hz.
De façon optionnelle, on peut ensuite sélectionner uniquement les maxima de ces courbes de dispersion.
Puis à partir des courbes de dispersion, on réalise une tomographie de la vitesse des signaux reconstruits.
Enfin, on effectue une inversion des vitesses d'ondes de surface des signaux reconstruits issus des ondes de surface, de façon à produire un modèle de vitesse des ondes de pression et de cisaillement, connues de l'homme du métier sous la dénomination d'ondes P et S.
Grâce à la répétition de ces opérations dans le temps, on obtient ainsi une image du sous-sol sous la zone cible qui évolue dans le temps, autrement dit, une représentation à quatre dimensions de cette zone du sous-sol.
Dans un autre mode de réalisation, où à l'étape 10, on enregistre des ondes sismiques réfractées, on effectue les opérations suivantes pour obtenir une image du sous-sol sous la zone cible.
On détermine tout d'abord les temps d'arrivée des signaux reconstruits du sismogramme, correspondant aux ondes sismiques réfractées.
Puis on réalise une tomographie des signaux reconstruits correspondant aux ondes réfractées P à partir de ces temps d'arrivée, de façon à produire un modèle de vitesse des ondes de pression, dites ondes P.
De même que dans le mode de réalisation où on enregistre des ondes sismiques de surface, grâce à la répétition de ces opérations dans le temps, on obtient ainsi une image du sous-sol sous la zone cible qui évolue dans le temps, autrement dit, une représentation à quatre dimensions de cette zone du sous-sol. Dans encore un autre mode particulier de réalisation, on pourrait enregistrer à l'étape 10 des ondes sismiques réfléchies. Cela conduirait alors à obtenir une image de la réflectivité du sous-sol sous la zone cible.
Il est possible naturellement de cumuler les enregistrements des ondes réfractées avec les ondes de surface, ce qui accroît d'autant la résolution, tout comme intégrer le traitement des ondes réfléchies aux procédés précédents. En particulier, les signaux sont traités indépendamment jusqu'aux pointés, qui sont ensuite combinés, les pointés étant les courbes de dispersion pour les ondes de surface et les temps de première arrivée pour les ondes réfractées.
En particulier, de préférence et tel qu'illustré en figure 6, l'image du sous-sol cible 3 sous une voie ferrée 20, de largeur de l'ordre de 1,5 m, espacée d'une voie source 21 parallèle, peut être réalisée par deux lignes de capteurs de type accéléromètres classiques espacées de 5 m encadrant la voie ferrée 20, les capteurs 22 de chaque ligne étant séparés de 3 m, les capteurs étant disposés en quinconce pour homogénéiser la résolution de l'image tridimensionnelle obtenue par intercorrélation pour être à l'échelle de la voie. Le traitement des ondes de surface et réfractées permet d'atteindre une résolution de 2 m, voire moins. Si une résolution supérieure est demandée, un rapprochement des lignes de capteurs peut être mis en œuvre, par exemple en associant directement les capteurs aux rails de la voie, c'est-à-dire en les espaçant de l'ordre de 1,5 m, et/ou en utilisant deux fibres optiques pour du DAS, créant ainsi des capteurs espacés de l'ordre de 60 cm.
Il est possible bien entendu d'ajouter au procédé selon l'invention une reconstruction similaire à celles décrites dans l'art antérieur, dans lequel des groupes de capteurs permettent d'analyser les courbes de dispersion des ondes sismiques, et augmenter encore la résolution et/ou la fiabilité de l'image : on reconstruit ainsi des trajets virtuels de propagation longitudinaux, c'est-à-dire parallèles à la voie ferrée, par exemple en utilisant des fenêtres temporelles de durée prédéterminée précédant et suivant le passage du train 24, respectivement après que les capteurs commencent à recevoir des ondes sismiques et avant que les capteurs cessent de recevoir des ondes sismiques.
Le procédé conforme à l'invention comporte une surveillance passive du sous-sol sous une zone cible au sens où il traite des ondes sismiques reçues, mais n'en produit pas. Néanmoins, on peut envisager de combiner les capteurs qui reçoivent les ondes sismiques avec des sources sismiques actives, pour appliquer des traitements du type décrits dans le document US- A-2017 052269.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de surveillance du sous-sol terrestre sous une zone cible, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes suivant lesquelles :
on enregistre (10) des ondes sismiques provenant d'une source (24) de bruit sismique identifiée et mobile, au moyen d'au moins un couple (220, 221) de capteurs (22) disposés de part et d'autre de ladite zone cible ;
on sélectionne des périodes temporelles correspondant aux alignements des couples (220, 221) de capteurs (22) avec ladite source (24) de bruit ;
on reconstruit (12) par interférométrie un sismogramme de la zone cible à partir desdites ondes sismiques enregistrées et des périodes temporelles sélectionnées ; et
on engendre (14) une image du sous-sol sous la zone cible à partir dudit sismogramme.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source (24) se déplace à l'extérieur du segment formé par la disposition dudit couple de capteurs (220, 221).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, préalablement à l'étape (12) de reconstruction, une étape (11) de prétraitement des ondes sismiques enregistrées.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape (11) de prétraitement comporte des opérations de débruitage et de filtrage en fréquence.
5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'étape (11) de prétraitement comporte une opération de blanchiment spectral.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors de l'étape (12) de reconstruction par interférométrie, on effectue au moins une opération d'intercorrélation de signaux issus des ondes sismiques respectivement enregistrées par les deux capteurs dudit couple (220, 221) de capteurs.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape (10) d'enregistrement est effectuée de façon continue dans le temps.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, à la suite de l'étape (12) de reconstruction, une étape (13) d'addition de signaux reconstruits dudit sismogramme provenant de plusieurs sources de bruit mobiles respectivement alignées avec ledit couple (220, 221) de capteurs pendant des périodes de temps distinctes.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors de l'étape (10) d'enregistrement, on enregistre des ondes sismiques de surface.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que lors de l'étape (14) de génération de ladite image :
on détermine des courbes de dispersion des ondes de surface dans les signaux reconstruits dudit sismogramme dans une bande de fréquences prédéterminée ;
on réalise une tomographie de la vitesse desdits signaux reconstruits à partir desdites courbes de dispersion ; et
on effectue une inversion des vitesses d'ondes de surface desdits signaux reconstruits, de façon à produire un modèle de vitesse d'ondes P et S.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que lors de l'étape (10) d'enregistrement, on enregistre des ondes sismiques réfractées.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que lors de l'étape (14) de génération de ladite image : on détermine les temps d'arrivée des signaux reconstruits dudit sismogramme correspondant auxdites ondes sismiques réfractées ; et on réalise une tomographie desdits signaux reconstruits correspondant aux ondes réfractées P à partir desdits temps d'arrivée, de façon à produire un modèle de vitesse d'ondes P.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors de l'étape (10) d'enregistrement, on enregistre des ondes sismiques réfléchies.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits capteurs (22) comportent au moins un géophone et/ou au moins un accéléromètre et/ou au moins un capteur basé sur l'utilisation de fibres optiques.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits capteurs (22) disposés de part et d'autre de ladite zone cible sont placés selon au moins deux lignes, ou sur des grilles de forme carrée ou hexagonale, et/ou sont espacés régulièrement.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite zone cible est une voie ferrée (20) ou une route ou un bâtiment.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite zone cible (3) est une première voie ferrée et ladite source (24) est un train se déplaçant sur une deuxième voie ferrée (21) sensiblement parallèle à la première voie ferrée (20).
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que lesdits capteurs (22) sont disposés de façon régulièrement espacée sur deux lignes parallèles entourant la première voie ferrée (20).
19. Dispositif de surveillance du sous-sol terrestre sous une zone cible, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens adaptés à mettre en œuvre des étapes d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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