Analyse approfondie de la méthode sismique pour déterminer les paramètres géotechniques

La méthode sismique pour géotechnique révèle des résultats surprenants : des variations significatives des modules élastiques du sol ont été déterminées grâce à des levés sismiques. Ces découvertes sont essentielles pour mieux comprendre les propriétés géotechniques des différentes couches du sous-sol.

Institut Supérieur d’Application Des Géosciences

Logging Instrumentation Measurement

MASTER EN GEOSCIENCES

OPTION : GEOPHYSIQUE APPLIQUEE

DETERMINATION DE PARAMETRES GEOTECHNIQUES PAR LA METHODE SISMIQUE

Présenté et soutenu publiquement le 19/02/2021 par :

Abou Hanifatou SANA

Travaux dirigés par :

Dr Ted MAYALA-TOMBA

Geoscientifique

Jury d’évaluation du mémoire

NAKOLENDOUSSE Samuel

Président

Professeur, UJKZ, Ouagadougou

NIKIEMA Julien

Rapporteur

Docteur, UJKZ, Ouagadougou

Mayala-Tomba Ted

Directeur de mémoire

Docteur, ISAG, Ouagadougou

Année : 2016-2018

RESUME

L’étude de la déformation du sol en vue de déterminer les modules élastiques, est habituellement simulée en laboratoire ou sur terrain. Les différentes méthodes fréquemment employées sont l’œdométrique, le triaxiale et la pressiomètrique. Tous ces essais bien qu’étant fréquemment utilisés présentent des limites. Comment déterminer alors les paramètres géotechniques permettant de pallier ces insuffisantes constatées ? C’est en réponse à ces interrogations qu’il nous a paru nécessaire de déterminer ces modules par la méthode sismique.

Sur demande de la société minière, deux types de levés sismiques ont été effectués le 18 décembre 2018 dans le permit Orezone par LIM Africa. Ces deux types de levés sont la méthode de sismique réfraction et la méthode d’analyse multicanaux des ondes de surface (MASW). Les résultats obtenus de la SR donnent un profil de 5 couches avec différentes vitesses Vp. Ceux obtenus de la méthode d’Analyse des Ondes de Surface donnent également 5 couches avec différentes vitesses VS. Les vitesses Vp varient de 500 à 4000 m/s et les vitesses Vs de 367 à 1543 m/s.

L’utilisation des relations entre les constantes élastiques, les vitesses de propagation des ondes sismiques obtenus lors des levés sismiques de la zone d’étude ont permis de calculer les modules géotechniques des différentes couches du sous-sol. Les valeurs des paramètres géotechniques calculées sont les suivantes :

Sommaire

SOMMAIRE

DEDICACES II

REMERCIEMENTS III

RESUME IV

SIGLES ET ABREVIATIONS V

LISTE DES FIGURES VII

LISTE DES TABLEAUX IX

ANNEXES X

SOMMAIRE XI

INTRODUCTION 1

CHAPITRE I : PRESENTATION DE LA ZONE D’ETUDE 4

Situation géographique de la zone du projet 5

Relief et Végétation 6

Sol 6

Contexte et cadre géologique du projet 6

IV.1)Contexte Géologie 6

IV.2)Cadre géologique du projet aurifère de Bomboré 7

CHAPITRE II : PROPRIETES PHYSIQUES DES ROCHES 10

Propriétés élastiques des roches 11

I.1)Module d’allongement 11

I.2)Coefficient de Poisson 12

I.3)Module de Coulomb 13

I.4)Module d’incompressibilité 13

Densités des matériaux géologiques 14

II.1)Définition et unités 14

II.2)Densité des constituants des roches 15

II.2.1)Densité des minéraux 15

II.2.2)Densité des fluides des pores 15

II.3)Densité des roches 15

II.3.1)Densité des roches magmatiques et métamorphiques 16

II.3.2)Densité des roches sédimentaires 16

CHAPITRE III : PRINCIPAUX ESSAIS DE MESURES DE MODULES 18

Approche des modules par mesures statiques (Les essais de laboratoire) 19

I.1)Essai de Compression simple ou de Traction simple 19

I.2)Essai de compression triaxiale 20

I.3)Essai de type œdométrique 21

I.4)Essai de cisaillement simple (ou de distorsion) 22

Approche des modules par mesures dynamiques 23

II.1)Essai pressiométrique 23

II.2)méthodes sismiques 25

II.2.1)Avantages de la méthode sismique 25

II.2.2)Principe de base de la méthode sismique 26

CHAPITRE IV :LA MÉTHODE SISMIQUE RÉFRACTION 28

Définitions 29

I.1)Milieu homogène et isotrope 29

I.2)Front d’onde et Rayon sismique 29

I.3)Géométrie des rayons 30

Procédure de mise en œuvre 31

II.1)Source sismique 32

II.2)Géophones 32

II.4) Enregistreur 33

Principes fondamentaux 33

III.1)Trajet du front d’onde (cas de deux terrains) 34

III.1.1)Temps d’intersection à l’origine 35

III.1.2)Calcul d’épaisseur e1 37

III.2)Cas de plusieurs couches planes horizontales et Cas d’un seul marqueur plan incliné 37

III.2.1)Cas de plusieurs couches planes horizontales 37

III.2.2)Cas d’un seul marqueur plan incliné 39

Causes d’erreurs 40

CHAPITRE V 41

METHODE D’ANALYSE MULTICANAUX DES ONDES DE SURFACE (Multichannel Analysis of Surface Waves Method MASW) 41

Ondes de surface 42

I.1)Onde de Rayleigh 43

I.1.1)Caractère dispersif des ondes de Rayleigh 43

Principales étapes de la méthode MASW 44

II.1)Acquisition des signaux temporels (x,t) 45

II.2)Notions générales sur le traitement de signal et courbe de dispersion des ondes de surface 46

II.2.1)Extraction des courbes de dispersion 49

II.2.2)Inversion de la courbe de dispersion 50

CHAPITRES VI : CAMPAGNE SISMIQUE EFFECTUEE SUR LE PERMIT D’OREZONE

……………………………………………………………………………………………………………………………….. 52

Mesures des ondes de compression et des ondes de surface 53

I.1)Matériels d’acquisition 53

I.2)Déploiement du matériels et enregistrement des ondes 55

Traitement et résultats des données 56

II.1)Sismique réfraction 56

II.1.1)Traitement de données 56

III.1.2) Résultats obtenus de la sismique réfraction 58

II.2)MASW 59

II.2.1)Traitement de données 59

III.2.2) Résultats obtenus de MASW 61

Calculs des modules élastiques 63

III.1)Couche 1 : limon 63

III.1.1)Calcul du module de Young de la couche 1 63

III.1.2)Calcul du coefficient du Poisson de la couche 1 64

III.1.3)Calcul du module de Coulomb de la couche 1 64

III.1.4)Calcul du module d’incompressibilité de la couche 1 64

III.2)Couche 2 : Sable 64

III.3)Couche 3 : Argile 65

III.4)Couche 4 : Arènes de Diorite quartzifère 65

III.5)Couche 5 : Diorite quartzifère 66

Résultats et discussions 66

Conclusion Générale 69

BIBLIOGRAPHIE 71

ANNEXES i

INTRODUCTION

Dans l’introduction de son article sur l’usage des modules de déformation en géotechnique, Olivier Combarieu dit : « La complexité que recouvre le terme de module est grande, puisque la plupart des matériaux, surtout en géotechnique, cumulent le plus souvent des propriétés élastiques, plastiques et visqueuses, pouvant se manifester conjointement, auxquelles s’ajoutent des effets dus au fluage et à la fatigue.

En géotechnique, les règlements européens récents le prescrivant, on s’oriente progressivement vers une justification des ouvrages en déformation et déplacement. On se contentait le plus souvent, jusqu’à récemment, de justification à la rupture, l’application de coefficients de sécurité conduisant généralement à des déformations admissibles pour les ouvrages construits.

Seules des conditions de déformations très sévères (en l’occurrence très petites) amenaient à entreprendre de tels calculs en déformation, souvent complexes et revenant finalement à choisir des coefficients de sécurité plus élevés que ceux habituellement utilisés. »

Extrait du REVUE FRANÇAISE DE GEOTECHNIQUE N°114 1er trimestre2006 Tout matériau soumis à des contraintes subit un comportement élastique et un

comportement plastique. A l’intérieur des limites d’élasticité, la contrainte est proportionnelle à la déformation (loi de Hooke). Cette relation de proportionnalité peut être établie par des modules d’élasticité et de cisaillement.

La plupart des projets de construction utilise le sol soit comme matériaux, soit comme assise porteuse. Dans le second cas, il faut dimensionner les fondations de manière qu’elles puissent résister aux charges prévues par les calculs, tout en limitant les risques de déformation ou de tassement. Car, La déformation trop importante du sol entraine très souvent des désordres qui affectent les ouvrages géotechniques.

L’étude de la déformation du sol, peut être simulée en laboratoire ou sur terrain. La méthode œdométrique et celle triaxiale sont les approches fréquemment utilisées dans la détermination des modules élastiques pour les essais de laboratoire et la méthode pressiométrique Ménard pour les essais sur le terrain.

Cependant, force est de constater que les essais en laboratoire ne sont valables que si la composition du sol n’est pas modifiée pendant le transport. Ce qui est totalement impossible pour les terrains trop meubles. Aussi la manipulation des échantillons étant très délicate, il exige de l’opérateur une certaine habilité dans la préparation. Le mode opératoire de ces essais prend plus de temps d’où leur cout élevé. Quant à l’essai pressiométrique, s’il a l’avantage d’être réalisé sur le terrain, il fournit néanmoins des résultats peu sûrs dans le cas précis des argiles molles.

Tous ces essais précités ne sont valables que sur une certaine épaisseur (quelques centimètres) et n’offrent que des mesures ponctuelles.

Il apparait ainsi clairement que ces essais bien qu’étant fréquemment utilisés présentent des limites. D’où la problématique de la détermination des paramètres géotechniques par une autre approche.

• Comment déterminer alors les paramètres géotechniques permettant de pallier ces insuffisantes constatées ?
• Quel procédé de détermination est-il approprié pour ce faire ?

C’est en réponse à ces interrogations qu’il nous a paru nécessaire de mener la réflexion sur le thème : « la détermination des paramètres géotechniques par la méthode sismique ». C’est donc l’objectif du mémoire.

Objectif

La société LIM Africa a eu pour mission d’effectuer des levés sismiques dans la zone d’étude d’Orezone à Bomboré. L’objectif de ce travail est d’utiliser les informations issues de ces levés pour déterminer, de manière indirecte, les valeurs dynamiques des modules d’élasticité, de cisaillement, d’incompressibilité et du coefficient de Poisson du sous-sol de la zone d’étude.

Pour ce faire, nous allons, d’abord mesurer la vitesse des ondes de compression Vp par une méthode dite sismique réfraction. Ensuite, déterminer la vitesse des ondes de cisaillement Vs par une méthode dite MASW qui exploite les ondes de surface. Enfin, les valeurs des modules élastiques sont calculées en fonction des vitesses VP et VS des formations géologiques du sous-sol du terrain.

Comment se justifie ce thème d’étude ?

Justification du mémoire

La détermination des modules élastiques, par la méthode sismique, est d’un grand intérêt, dans la mesure où les vitesses sismiques sont mesurées sur place avec des matériels légers et respectueux de l’environnement contrairement à l’essai pressiométrique. Cette méthode tient compte, des conditions naturelles d’humidité, de pression…Elle permet d’obtenir, rapidement et à faible coût, une évaluation générale des modules de couches du sous-sol. Cette étude jette les bases de la constitution possible de bases de données des modules élastiques.

Pour mener à bien notre étude, nous commencerons par présenter notre zone d’étude (le relief, la végétation, les sols et la géologie). Ensuite nous nous étalerons sur les propriétés physiques des roches. Nous décrirons sommairement les divers types d’essais entrant dans la détermination des modules élastiques et présenterons les inconvénients liés à chaque essai.

Puis, nous examinerons les méthodes sismiques basées sur les techniques de propagation des ondes. Après examen de ces méthodes, nous évoquerons les principes fondamentaux de la méthode sismique basée sur les ondes de volume et de la méthode MASW (Analyse Multicanaux des Ondes de Surface) qui exploite les ondes de surface.

Enfin, nous terminerons par la campagne sismique effectuée dans la zone d’étude et aux résultats de l’interprétation des données, intervenant dans les calculs des valeurs dynamiques des modules élastiques. Il sera question de mesures des ondes de compression (p) et des ondes de cisaillement (s) effectuées sur la zone d’étude, de traitements des données, ainsi que de calculs des valeurs dynamiques des modules

d’élasticité, de cisaillement, d’incompressibilité et du coefficient de Poisson du sous-sol de notre zone d’étude. Présentons-avec minutie la zone d’étude, située géographiquement près du campement d’exploitation de Bomboré.

CHAPITRE I : PRESENTATION DE LA ZONE D’ETUDE

Situation géographique de la zone du projet

Le site du projet aurifère de Bomboré est localisé à environ 80 km de Ouagadougou, via la route nationale N°4 (RN4) sur l’axe routier Ouagadougou-Fada N’Gourma. La zone du projet relève administrativement du département de Mogtédo de la province du Ganzourgou dans la Région du Plateau central. Notre zone d’étude est située dans l’empreinte PAB : Projet aurifère de Bomboré (Figure 1), fort caractérisée par un relief et une végétation de type sahélien.

Figure 1: Localisation du site du projet de Bomboré (Source : BEGE, 2015)

Relief et Végétation

D’une façon générale, le relief dans le Plateau Central est caractérisé par une pénéplaine aux pentes douces (300 à 400 m d’altitude), interrompue çà et là par des alignements de collines cuirassées aux sommets tabulaires ou arrondis (province du Kourwéogo) ou granitiques (province du Ganzourgou).

Dans les parties nord et centre de la région, notamment dans les provinces du Kourwéogo et de l’Oubritenga, on note une végétation de type arbustif et au sud (Ganzourgou) une végétation arborée, avec la présence de forêts claires et de forêts galeries, le long des cours d’eau permanents ou temporaires. La végétation se dégrade rapidement du fait essentiellement du surpâturage, de la coupe abusive de bois, des feux de brousse et de la péjoration climatique. (Source : BEGE, 2015) Présentons à présent les sols de la zone.

Sol

D’une façon générale, on distingue principalement au plateau central les sols suivants :

Les vertisols sont répandus dans les provinces du Zoundwéogo (au sud), du Ganzourgou (au centre). Ce sont des sols à profil peu différencié (argile gonflante, la montmorillonite).

Les sols bruns entrophes occupent principalement la province du Ganzourgou (au centre). Ils ont une assez forte teneur en argile Montmorillontique.

Les sols peu évolués sur schiste se forment sur le substratum schisteux dénudé. Ils se caractérisent par un recouvrement fin de texture variable et des fragments de schiste englobés dans une matrice sablo-limoneuse, sablo-argileuse ou argilo-sableuse (BEGE, 2015). Ces différents sols dépendent d’un contexte géologique précis et déterminant celui du projet aurifère.

Contexte et cadre géologique du projet

Contexte Géologie

Le contexte géologique du Burkina Faso correspond principalement à des formations précambriennes du craton ouest-africain. Les anciennes formations du protérozoïque inférieur sont des roches cristallines, métamorphiques et la couverture sédimentaire.

Le birimien forme une série de ceintures ou sillons, comme les ceintures de roches vertes archéennes, de formations métamorphiques qui vont du faciès des schistes verts au faciès de l’amphibolite à grenat. Ces ceintures étroites, à foliation généralement très redressée, orientées Nord-Sud ou Nord-est-Sud-ouest, de plusieurs dizaines de kilomètres de largeur et d’une extension allant de 100 à 500 km, sont constituées de roches plissées très diverses d’âge précambrien. Elles se présentent en grandes lanières, séparées par les granites et autres affleurements antébirimiens repris au cours de l’orogenèse éburnéenne figure 2.(Source : BEGE, 2015)

Cadre géologique du projet aurifère de Bomboré

Le projet aurifère de Bomboré couvre partiellement un sillon méta-sédimentaire d’orientation nord-est, qui s’étend sur plus de 50 km de son extrémité sud-ouest jusqu’au village de Méguet, à son extrémité nord-est. La séquence méta-sédimentaire est dominée par des méta- grès, lesquels surmontent des méta-pélites à matière organique, par endroits graphitiques, ceux- ci sont surmontés de dépôts chenalisés de méta-grés conglomératiques et de méta-conglomérats à cailloux de grès, d’argilite, de granite et de quartz.

Cette séquence méta-sédimentaire est recoupée par des intrusifs mafiques et ultramafiques qui se présentent surtout sous forme de sills. La séquence méta-sédimentaire du secteur du projet Bomboré est moulée sur un large batholite de diorite quartzifère qui est localisé à la limite du projet et est bordée au sud-est et au nord-ouest par des granites à biotite.

La carte suivante présente les principales lithologies de la zone du projet aurifère de Bomboré. Bien analysée, elle favorisera une meilleure appréciation des propriétés physiques des roches figure 3(BEGE, 2015).

Figure 2 : Carte géologique régionale incluant la zone du projet (Orezone 2015)

Figure 3 : Carte géologique de la zone du projet aurifère de Bomboré (Orezone, BEGE)

Questions Fréquemment Posées

Quelle est la méthode sismique pour la géotechnique?

La méthode sismique pour la géotechnique est une approche utilisée pour déterminer les modules élastiques du sol en mesurant les vitesses de propagation des ondes sismiques.

Quels types de levés sismiques ont été effectués dans l’étude?

Deux types de levés sismiques ont été effectués : la méthode de sismique réfraction et la méthode d’analyse multicanaux des ondes de surface (MASW).

Quels paramètres géotechniques ont été calculés dans l’étude?

Les paramètres géotechniques calculés incluent le module de Young, le coefficient de Poisson, le module de Coulomb et le module d’incompressibilité pour différentes couches du sous-sol.