Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Imagerie sismique de la proche surface par Inversion de la forme d'onde et downscaling - Aproche combinée numérique et expérimentale de laboratoire

Laboratoire principal - Référent principal GERS - GeoEND  -  LEPAROUX Donatienne      tél. : +33 240845669

Directeur du laboratoire principal PALMA-LOPES Sergio  -

Spécialité de la thèse Géophysique

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription UNIVERSITE DE NANTES

Ecole doctorale EGAAL - Ecologie, Géosciences, Agronomie et Alimentation

Directeur de thèse prévu LEPAROUX Donatienne  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - GeoEND

Co-directeur de thèse prévu CAPDEVILLE Yann  -  CNRS  -  LPG Nantes

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Contexte
En contextes de transition énergétique et de changement climatique, les besoins de caractérisation et d’imagerie quantitative du sous-sol et des infrastructures s’accroissent, que ce soit pour l’aide à l’implantation de sites dédiés à de nouvelles technologies (éolien on-shore ou offshore) ou pour la surveillance de sites,de structures ou de zones fortement anthropisées (digues, sites classés, risques associés aux milieux urbains ..etc) .

Parmi les méthodes non destructives développées en géophysique appliquée, les méthodes d’imagerie sismique permettent de fournir une information directement liée aux propriétés mécaniques des objets décrits. Traditionnellement basées sur les temps d’arrivées des ondes
sismiques de volume, leur adaptation aux problématiques de la subsurface nécessite la prise en compte des ondes de surface alors que ces dernières ont longtemps été identifiées comme du bruit pour l’investigation profonde telle que la prospection pétrolière.
Parallèlement, ces dernières décennies ont vu naître le développement des méthodes dites par « Inversion de la Forme d’Onde Complète » basées sur l’information portée par l’ensemble du champ d’onde sismique pour reconstruire finement les paramètres du milieu (Virieux and Operto, 2009). Cette approche a vu ses fruits en prospection profonde pour la recherche d’hydrocarbures et quelques études récentes proposent d’intégrer les ondes de surface pour l’auscultation du proche sous-sol. L’intérêt repose sur la prise en compte des phénomènes complexes de propagation et notamment les conversions de modes dans le modèle propagation. Cependant, ce type de méthode repose actuellement sur une approche par optimisation locale par linéarisation du problème inverse pour des raisons de temps de calculs. Hors, cette hypothèse nécessite la connaissance d’un modèle initial proche de la solution, difficile à définir dans des milieux complexes de la subsurface et du génie civil. Par ailleurs, la non unicité de la solution rend difficile l’interprétation des résultats obtenus.

Objectif et Démarche
Face à ces difficultés, une approche alternative innovante propose actuellement un processus en 2 étapes « par inversion du modèle homogénéisé et downscaling » (Capdeville and Methivier, 2018) : la première est basée sur le résultat de l’inversion de la forme d’onde en terme de modèle homogénéisé aux échelles des longueurs d’ondes propagées (Capdeville et al., 2010) et la deuxième repose sur l’inversion par optimisation globale des paramètres reconstruits pour obtenir un modèle interprétable en termes de paramètres recherchés pour les applications visées. Les développements théoriques de cette nouvelle approche ainsi que les premiers tests expérimentaux 2D de laboratoire pour des milieux non atténuants sont en cours de développement au sein du projet ANR HIWAI (piloté par Y. Capdeville, LPG). Les perspectives de cette approche entièrement nouvelle, permettent d’envisager des capacités d’imagerie inégalées pour les milieux complexes
de la surbsurface si l’information portée par les ondes de surface peut être intégrée.

Dans ce contexte, le sujet de thèse proposé vise à développer la faisabilité de l’approche double d’inversion par « homogénéisation et downscaling » pour les problématiques des milieux de la subsurface, généralement très atténuants, comportant de nombreuses hétérogénéités avec de forts contrastes à des profondeurs de propagation des ondes de surface. Cette approche double permet de dépasser l’inversion classique des vitesses d’ondes S et d’accéder au tenseur élastique complet puis d'en utiliser l’anisotropie pour fournir une information plus riche et donc plus précise sur les cibles visées. Ici, ces dernières correspondent à des zones d’altération du sous-sol ou de
structures anthropiques qu’il contient et des cavités souterraines. L’objectif est de définir le potentiel de détection, localisation et caractérisation géométrique des zones d’endommagement et des cavités.

La démarche proposée porte d’une part sur l’analyse théorique de la méthodologie en introduisant des hétérogénéités superficielles affectant les ondes de surface et d’autre part sur l’analyse de données expérimentales de laboratoire à échelle réduite en prenant en compte non seulement la composante verticale mais également la composante horizontale (Bretaudeau et al., 2010 ; Pageot et al., 2017). Pour ce faire, des modèles de références typiques de la subsurface, de complexité graduelle, seront définis et développés numériquement et expérimentalement sous forme de maquettes à échelle réduite.

Enjeux scientifiques :
Les principaux enjeux scientifiques de la thèse comporte les éléments d’intégration mentionnés ci-dessus nécessaires à l’imagerie de la subsurface et qui restent non explorés ou non résolus à ce jours, à savoir :
• l’intégration de la composante horizontale : apport en contexte expérimental
• l’intégration d’hétérogénéités de surface dans l’homogénéisation non périodique
• l’intégration des milieux atténuants (impliquant une faible distance de propagation)
• la validation expérimentale pour des applications de la subsurface en milieux anthropisés

Outils de modélisation :
Les outils de modélisation numérique et expérimentale sont respectivement ceux développés au LPG à l’université de Nantes et à l’ifsttar :
• les codes numériques basées sur la Méthode aux Eléments Spectraux mis au point au LPG permettent de simuler finement les structures complexes du sous-sol par un maillage non structuré.
• le banc de mesure MUSC de l’ifsttar permet de simuler expérimentalement en contexte parfaitement cadré les mesures sismiques de surface en intégrant à la fois la composante verticale et la composante horizontale.

La complémentarité de ces deux types de simulation a fait ses preuves dans les projets régionaux VIBRIS, PROSE et le projet ANR-HIWAI à travers le partenariat des équipes d’encadrement de la thèse.

A ces données viendront d’ajoutées des données de terrain multi-composantes fournies par le consortium industriel SR2S piloté à l’ifsttar.

Profil recherché :
Propagation d'onde (acoustique, sismique, ultrason)
Physique des milieux continus
Problème inverse
Traitement du signal et des données
Python, Matlab ou Scilab, C, fortran - ou autres outils pour le calcul scientifique
Une expérience dans la modélisation numérique (différences finies, éléments finis, éléments spectraux, ...) est recommandée.

Encadrement de thèse : Donatienne Leparoux et Yann Capdeville (co-direction de thèse)

Bibliographie
Capdeville Y. & Métivier L. (2018) Elastic FWI based on the homogenization method... illustrations. Geophys.J.Int. 213 (2), 1093-1112.
Pageot D. et al. (2017) Improving the seismic small-scale modelling ... numerical methods. Geophys.J.Int. 211(1), 637-649.
Virieux J, OpertoS, 2009, An overview of full waveform inversion in exploration geophysics, GEOPHYSICS,VOL.74,NO.6,NOVEMBER DECEMBER2009;P.WCC127WCC152
Bretaudeau F. et al. (2011) Small-scale modeling of onshore seismic experiment... methods. Geophysics, 76(5), T101-T112.
Capdeville Y. et al. (2010) 2D nonperiodic homogenization to upscale elastic media for P-SV waves. Geophys. J. Int. 182, 903-922.

Mots-clefs: Imagerie Sismique, Problème Inverse, Subsurface, Homogeneisation non périoodique, Forme d'Onde, Modélisation Numérique, Modélisation expérimentale

Laboratoire principal - Référent principal	GERS - GeoEND - LEPAROUX Donatienne tél. : +33 240845669
Directeur du laboratoire principal	PALMA-LOPES Sergio -
Spécialité de la thèse	Géophysique
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE DE NANTES
Ecole doctorale	EGAAL - Ecologie, Géosciences, Agronomie et Alimentation
Directeur de thèse prévu	LEPAROUX Donatienne - Université Gustave Eiffel - GERS - GeoEND
Co-directeur de thèse prévu	CAPDEVILLE Yann - CNRS - LPG Nantes
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Contexte En contextes de transition énergétique et de changement climatique, les besoins de caractérisation et d’imagerie quantitative du sous-sol et des infrastructures s’accroissent, que ce soit pour l’aide à l’implantation de sites dédiés à de nouvelles technologies (éolien on-shore ou offshore) ou pour la surveillance de sites,de structures ou de zones fortement anthropisées (digues, sites classés, risques associés aux milieux urbains ..etc) . Parmi les méthodes non destructives développées en géophysique appliquée, les méthodes d’imagerie sismique permettent de fournir une information directement liée aux propriétés mécaniques des objets décrits. Traditionnellement basées sur les temps d’arrivées des ondes sismiques de volume, leur adaptation aux problématiques de la subsurface nécessite la prise en compte des ondes de surface alors que ces dernières ont longtemps été identifiées comme du bruit pour l’investigation profonde telle que la prospection pétrolière. Parallèlement, ces dernières décennies ont vu naître le développement des méthodes dites par « Inversion de la Forme d’Onde Complète » basées sur l’information portée par l’ensemble du champ d’onde sismique pour reconstruire finement les paramètres du milieu (Virieux and Operto, 2009). Cette approche a vu ses fruits en prospection profonde pour la recherche d’hydrocarbures et quelques études récentes proposent d’intégrer les ondes de surface pour l’auscultation du proche sous-sol. L’intérêt repose sur la prise en compte des phénomènes complexes de propagation et notamment les conversions de modes dans le modèle propagation. Cependant, ce type de méthode repose actuellement sur une approche par optimisation locale par linéarisation du problème inverse pour des raisons de temps de calculs. Hors, cette hypothèse nécessite la connaissance d’un modèle initial proche de la solution, difficile à définir dans des milieux complexes de la subsurface et du génie civil. Par ailleurs, la non unicité de la solution rend difficile l’interprétation des résultats obtenus. Objectif et Démarche Face à ces difficultés, une approche alternative innovante propose actuellement un processus en 2 étapes « par inversion du modèle homogénéisé et downscaling » (Capdeville and Methivier, 2018) : la première est basée sur le résultat de l’inversion de la forme d’onde en terme de modèle homogénéisé aux échelles des longueurs d’ondes propagées (Capdeville et al., 2010) et la deuxième repose sur l’inversion par optimisation globale des paramètres reconstruits pour obtenir un modèle interprétable en termes de paramètres recherchés pour les applications visées. Les développements théoriques de cette nouvelle approche ainsi que les premiers tests expérimentaux 2D de laboratoire pour des milieux non atténuants sont en cours de développement au sein du projet ANR HIWAI (piloté par Y. Capdeville, LPG). Les perspectives de cette approche entièrement nouvelle, permettent d’envisager des capacités d’imagerie inégalées pour les milieux complexes de la surbsurface si l’information portée par les ondes de surface peut être intégrée. Dans ce contexte, le sujet de thèse proposé vise à développer la faisabilité de l’approche double d’inversion par « homogénéisation et downscaling » pour les problématiques des milieux de la subsurface, généralement très atténuants, comportant de nombreuses hétérogénéités avec de forts contrastes à des profondeurs de propagation des ondes de surface. Cette approche double permet de dépasser l’inversion classique des vitesses d’ondes S et d’accéder au tenseur élastique complet puis d'en utiliser l’anisotropie pour fournir une information plus riche et donc plus précise sur les cibles visées. Ici, ces dernières correspondent à des zones d’altération du sous-sol ou de structures anthropiques qu’il contient et des cavités souterraines. L’objectif est de définir le potentiel de détection, localisation et caractérisation géométrique des zones d’endommagement et des cavités. La démarche proposée porte d’une part sur l’analyse théorique de la méthodologie en introduisant des hétérogénéités superficielles affectant les ondes de surface et d’autre part sur l’analyse de données expérimentales de laboratoire à échelle réduite en prenant en compte non seulement la composante verticale mais également la composante horizontale (Bretaudeau et al., 2010 ; Pageot et al., 2017). Pour ce faire, des modèles de références typiques de la subsurface, de complexité graduelle, seront définis et développés numériquement et expérimentalement sous forme de maquettes à échelle réduite. Enjeux scientifiques : Les principaux enjeux scientifiques de la thèse comporte les éléments d’intégration mentionnés ci-dessus nécessaires à l’imagerie de la subsurface et qui restent non explorés ou non résolus à ce jours, à savoir : • l’intégration de la composante horizontale : apport en contexte expérimental • l’intégration d’hétérogénéités de surface dans l’homogénéisation non périodique • l’intégration des milieux atténuants (impliquant une faible distance de propagation) • la validation expérimentale pour des applications de la subsurface en milieux anthropisés Outils de modélisation : Les outils de modélisation numérique et expérimentale sont respectivement ceux développés au LPG à l’université de Nantes et à l’ifsttar : • les codes numériques basées sur la Méthode aux Eléments Spectraux mis au point au LPG permettent de simuler finement les structures complexes du sous-sol par un maillage non structuré. • le banc de mesure MUSC de l’ifsttar permet de simuler expérimentalement en contexte parfaitement cadré les mesures sismiques de surface en intégrant à la fois la composante verticale et la composante horizontale. La complémentarité de ces deux types de simulation a fait ses preuves dans les projets régionaux VIBRIS, PROSE et le projet ANR-HIWAI à travers le partenariat des équipes d’encadrement de la thèse. A ces données viendront d’ajoutées des données de terrain multi-composantes fournies par le consortium industriel SR2S piloté à l’ifsttar. Profil recherché : Propagation d'onde (acoustique, sismique, ultrason) Physique des milieux continus Problème inverse Traitement du signal et des données Python, Matlab ou Scilab, C, fortran - ou autres outils pour le calcul scientifique Une expérience dans la modélisation numérique (différences finies, éléments finis, éléments spectraux, ...) est recommandée. Encadrement de thèse : Donatienne Leparoux et Yann Capdeville (co-direction de thèse) Bibliographie Capdeville Y. & Métivier L. (2018) Elastic FWI based on the homogenization method... illustrations. Geophys.J.Int. 213 (2), 1093-1112. Pageot D. et al. (2017) Improving the seismic small-scale modelling ... numerical methods. Geophys.J.Int. 211(1), 637-649. Virieux J, OpertoS, 2009, An overview of full waveform inversion in exploration geophysics, GEOPHYSICS,VOL.74,NO.6,NOVEMBER DECEMBER2009;P.WCC127WCC152 Bretaudeau F. et al. (2011) Small-scale modeling of onshore seismic experiment... methods. Geophysics, 76(5), T101-T112. Capdeville Y. et al. (2010) 2D nonperiodic homogenization to upscale elastic media for P-SV waves. Geophys. J. Int. 182, 903-922.
Mots-clefs:	Imagerie Sismique, Problème Inverse, Subsurface, Homogeneisation non périoodique, Forme d'Onde, Modélisation Numérique, Modélisation expérimentale

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