Les méthodes sismiques génèrent artificiellement des ondes élastiques et étudient leur propagation dans le sous-sol pour en reconstituer la structure. C'est la méthode la plus puissante et la plus utilisée en prospection pétrolière, et le sujet le plus riche en formules et en schémas du module — donc le plus fréquent aux examens.
1. Propagation des ondes élastiques
Une source sismique (impact, explosif, vibrateur) génère un « séisme » artificiel de faible amplitude qui se propage dans le sous-sol sous forme d'ondes élastiques, dont la vitesse dépend des propriétés élastiques et de la densité des matériaux traversés. On distingue les ondes de volume P (ondes de compression, ou primaires, les plus rapides, qui se propagent dans les solides, les liquides et les gaz) et les ondes S (ondes de cisaillement, ou secondaires, plus lentes, qui ne se propagent pas dans les fluides). À une interface, une onde P incidente génère à la fois des ondes P et S réfléchies et réfractées : c'est la conversion d'ondes. Des ondes de surface (Rayleigh, Love) apparaissent en outre le long de la surface libre du sol.
2. Loi de Snell-Descartes et coefficient de réflexion
Lorsqu'une onde sismique rencontre une interface séparant deux milieux de vitesses V1 et V2, une partie de l'énergie est réfléchie et une partie est réfractée. La loi de Snell-Descartes relie les angles d'incidence θi et de réfraction θr aux vitesses des deux milieux : sin θi / sin θr = V1 / V2. Lorsque l'angle d'incidence atteint l'angle critique θc = arcsin(V1/V2), l'onde réfractée se propage exactement le long de l'interface : c'est le principe même de la sismique réfraction. La part d'énergie réfléchie dépend, elle, du contraste d'impédance acoustique (produit densité × vitesse) entre les deux milieux : plus le contraste est fort, plus le coefficient de réflexion est élevé.
3. La sismique réfraction
La sismique réfraction exploite les ondes qui se propagent le long des interfaces, au-delà de l'angle critique, puis remontent vers des récepteurs (géophones) alignés en surface. En analysant les temps d'arrivée en fonction de la distance source-récepteur (dromochroniques), on détermine la vitesse et la profondeur de discontinuités marquées, à condition que la vitesse augmente avec la profondeur. Cette méthode, plus légère et moins coûteuse que la sismique réflexion, est très utilisée en génie civil pour caractériser rapidement les premiers terrains (épaisseur d'altérites, profondeur du substratum sain).
4. La sismique réflexion : principe et acquisition
La sismique réflexion enregistre les ondes réfléchies sur les interfaces présentant un contraste d'impédance. Un dispositif émetteur-récepteurs forme un tir sismique ; l'ensemble des traces enregistrées lors d'un tir constitue un enregistrement sismique, échantillonné et numérisé ; un ensemble de tirs le long d'un même axe forme un profil sismique. Contrairement à la réfraction, la réflexion ne demande pas que la vitesse augmente strictement avec la profondeur, ce qui en fait la méthode de référence pour imager des structures complexes en profondeur, notamment en exploration pétrolière (recherche d'aquifères, topographie du socle, délinéation de zones fracturées, stratigraphie).
5. Traitement des données et résolution
Les enregistrements bruts subissent une chaîne de traitement (filtrage du bruit, corrections statiques et dynamiques, sommation des traces, migration) destinée à transformer les temps de trajet en une image interprétable des structures du sous-sol. La résolution d'un profil sismique — la capacité à distinguer deux réflecteurs proches — dépend de la fréquence des ondes utilisées et donc, indirectement, du type de source et de la profondeur d'investigation visée : une meilleure résolution s'obtient au prix d'une pénétration plus faible, un compromis constant en sismique.
Onde sismique de compression (primaire), la plus rapide, qui se propage dans les solides, les liquides et les gaz par vibration parallèle à la direction de propagation.
Onde sismique de cisaillement (secondaire), plus lente que l'onde P, qui vibre perpendiculairement à sa direction de propagation et ne traverse pas les fluides.
Produit de la densité par la vitesse sismique d'un milieu ; le contraste d'impédance entre deux couches détermine l'intensité de l'onde réfléchie à leur interface.
| Sismique réfraction | Sismique réflexion | |
|---|---|---|
| Onde exploitée | Onde réfractée critique (le long de l'interface) | Onde réfléchie sur les interfaces |
| Condition | Vitesse croissante avec la profondeur | Aucune condition stricte sur les vitesses |
| Coût / mise en œuvre | Plus léger, moins coûteux | Plus lourd, traitement de données important |
| Usage typique | Génie civil, premiers terrains | Exploration pétrolière, structures profondes |
Sismique réfraction vs sismique réflexion
- Onde P (compression, la plus rapide, traverse les fluides) vs onde S (cisaillement, plus lente, pas de fluides).
- Loi de Snell-Descartes : sin θi / sin θr = V1 / V2 ; angle critique θc = arcsin(V1/V2).
- Le coefficient de réflexion dépend du contraste d'impédance acoustique (densité × vitesse).
- Réfraction : ondes critiques, exige une vitesse croissante avec la profondeur ; usage génie civil.
- Réflexion : profil sismique par sommation de tirs, traitement lourd, référence en exploration pétrolière.
Le S6 demande très souvent de tracer un rai réfléchi et réfracté à une interface, d'appliquer la loi de Snell-Descartes et de calculer un angle critique. Piège classique : confondre onde P et onde S dans leur capacité à traverser les fluides, ou oublier que la sismique réfraction exige une vitesse croissante avec la profondeur, condition non requise en réflexion.