Experimental characterization and analysis of fluid related seismic attenuation mechanisms in porous materials

Thèse soutenue par Samuel A. CHAPMAN, le 3 novembre 2017, Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST)

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 a été mesurée selon la méthode de l’oscillation forcée. J’étudie l’impact de la saturation en eau partielle, obtenue par imbibition, sur l’atténuation pour un échantillon de grès Berea. J’ai aussi analysé l’impact de la distribution du fluide dans le milieu poreux sur la dépendance en fréquence de l’atténuation mesurée. Un changement de comportement d’atténuation avec la fréquence est observé et expliqué par le passage d’un mécanisme WIFF mésoscopique à un WIGED. L’influence du niveau et de la méthode de saturation du milieu sur l’atténuation en fréquence son également étudiés 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. Enfin, en utilisant un liquide plus visqueux que l’eau pour saturer complètement le grès Berea, j’observe l’atténuation dépend de la fréquence en réponse à une transition drained-undrained et squirt-flow. 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.

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