Détermination de parametres géotechniques par la méthode sismique

I

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Institut Supérieur d'Application Des Gécsciences	Logging Instrumentation Measurement

l'IrLkSTER EN GEOSCIENCES
OPTION : GEOPHYSIQUE APPLIQUEE

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Presenté et soutaiu publiquement le ig [ ? °0{?1 par :
Abou Hanifatou SANT
Tri.7.1a7.
Dr Ted 1[3.YALIL-T011:B4O.
Geoscientif igue
Jury dévaluation du mimoire

NAHOL NDOLSSE Samuel Président Professeur, DJHZ Oaagadongoa.

NT1Tr4. Julien Rapporte= Docteur. 1.7.7=4 oa âaagoa

Dflyala-Tomba Ted Direcbear de raimoire Docteur, ISAG. on

Armee : 2)1&-.?O1S

II

DEDICACES

Je dédie ce travail :

+ A mon père El hadji SANA Abdoulaye,

+ A ma Mère Adja SANA Azeta,

+ A mes frères et soeurs, en particulier SANA Sidi Mohamed, son épouse SAYAOGO

Alizeta et à leurs enfants : Al Bachir, Moubarack, Bouchra, Ridwane,

+ A mon épouse SAWADOGO Safiatou,

+ A mes enfants Abdoul Wahid et Abdoul Madjid,

+ A mon neveu Issouf et ma nièce Adidjatou.

III

REMERCIEMENTS

Ce travail s'inscrit dans le cadre de mon mémoire de fin d'études pour l'obtention du diplôme de master en géosciences appliquées, option géophysique appliquée de l'Institut Supérieur d'Application des Géosciences (ISAG). II a été réalisé au sein de la société LIM Africa.

Je voudrais ici remercier les personnes qui ont contribué d'une manière ou d'une autre à sa réalisation

Je remercie tout d'abord, Docteur Ted Mayala Directeur Général de LIM Africa, à qui je dois ma connaissance de géophysique appliquée et qui a bien voulu m'accepter à LIM Africa pour le stage. II a été l'initiateur de ce travail en me proposant un sujet sur la détermination de paramètres géotechniques par la méthode sismique. Ses conseils et ses observations m'ont été d'un apport utile.

Je tiens à remercier tous mes professeurs d'ISAG pour la qualité de leurs enseignements, mais aussi pour leurs conseils durant le déroulement de mes études.

SANOU Serge, SAVADOGO Omar, pour leur entière collaboration.

Mes remerciements vont aussi à mes amis et collègues, Zakaria GUINKO, Adama SEBEGO, Mahamadi SORGHO, Souleymane KONKOBO, Souleymane OUEDRAOGO, Seydou DERRA, Moumouni KONE, Ousseini OUEDRAOGO pour leur soutien multiforme et leur disponibilité.

Je tiens également à remercier Mamadi BALBONE, Ibrahim OUEDRAOGO, Saidou KIENTEGA pour les questions d'ordre géologique.

Je n'oublie pas mes camarades de la 3^emepromotion de l'Institut ISAG.

Je ne saurai terminer sans remercier KOETA Dieudonné et Da Christophe pour leur appui à la correction de ce document.

IV

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'oedométrique, 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 :

	Module de Young (GPa)	Coefficient du Poisson	Module de Coulomb (GPa)	Module d'incompressibilité (GPa)
Couche 1	0,36	-0,08	0,19	0,10
Couche 2	0.93	0.37	0.33	1.29
Couche 3	2.27	0.42	0.8	4.68
Couche 4	8.8	0.34	3.27	9.32
Couche 5	16,58	0,41	5,86	31,60

V

SIGLES ET ABREVIATIONS

?d . contraction relative des arêtes perpendiculaires à la direction de la force ; ?l . allongement ;

?V . variation de volume ;

A . tir en bout de dispositif (tirs en bout) ;

BEGE . Bureau d'Etudes des Géosciences et Environnement ;

B . tir en bout de dispositif (tirs en bout) ;

C . tir au centre du dispositif ; d . arête ;

d . indice indiquant des constantes dynamiques obtenues par les méthodes de prospection

sismique ;

D . tir intermédiaire entre les capteurs 6 et 7 ; d. La densité ;

di . densité d'un constituant individuel i de la roche ; d_m . densité moyenne de la matrice solide de la roche ; dp . densité moyenne des fluides des pores ;

E . Module d'allongement ou module d'élasticité (longitudinale) de Young ; E . tir intermédiaire entre les capteurs 18 et 19 ;

E-W . direction Est-Ouest ;

F . force ;

K . module d'incompressibilité ;

m . masse;

MASW . Multichannel Analysis of Surface Waves ;

O . tirs offset ou tirs lointains (tirs extérieurs au dispositif) ;

P . onde primaire ;

P . pression ;

P . tirs offset ou tirs lointains (tirs extérieurs au dispositif) ; PAB . Projet aurifère de Bomboré ;

VI

S : surface ,
·

SH : le mouvement des particules est contenu dans le plan horizontal, perpendiculairement au sens de propagation de vitesse VSh ,
·

S-N : direction sud-nord ,
·

SV : Le mouvement des particules est contenu dans le plan vertical, perpendiculairement au sens de propagation de vitesse VSv,
·

SPAC : Spatial Autocorrelation

TB : Time Break ou temps zéro ,
·

v ou V : volume,
·

VP : vitesse de propagation des ondes longitudinales ,
·

VS : vitesse de propagation des ondes de cisaillement ,
·

Z : impédance acoustique ,
·

á : angle entre les faces latérales et sa déformation ,
·

fi : module de compressibilité avec fi = 1/K ,
·

? : contrainte ,
·

ì : (ou G) Le module de Coulomb module de rigidité, module de glissement ou encore module de cisaillement ,
·

? : coefficient de Poisson ,
· O : porosité.

VII

LISTE DES FIGURES

Figure 1: Localisation du site du projet de Bomboré (Source : BEGE, 2015) 5

Figure 2 : Carte géologique régionale incluant la zone du projet (Orezone 2015) 8

Figure 3: Carte géologique de la zone du projet aurifère de Bomboré (Orezone, BEGE) 9

Figure 4: Relation de la contraction latéraleà la dilatation longitudinale 12

Figure 5: Déformation de cisaillement 13

Figure 6 : Essai de compression simple 19

Figure 7: Distorsion lors d'un cisaillement simple 22

Figure 8 : Courbepressiométrique 24

Figure 9 : Représentation du rayon sismique 30

Figure 10: Loi de Snell-Descartes 30

Figure 11: Dispositif de 24 capteurs et 7 tirs 31

Figure 12: Position des fronts d'ondes (onde longitudinale), cas de deux terrains séparés

par un plan horizontal. 35

Figure 13:Dromochroniques dérivées du schéma de la figure 12 35

Figure 14:Représentation schématique des rayons sismiques, pour le cas de la figure 13.

36

Figure 15 : Cas de plusieurs couches planes horizontales 37

Figure 16 : Cas d'un seul marqueur plan incliné (tirée du Dictionnaire de Géophysique

Appliquée - P. Chapel - 1980) 39

Figure 17 : Les ondes de Rayleigh de basses fréquences (a), pénètrent plus profondément

que les ondes de Rayleigh de hautes fréquences (b) et (c). (Evrett, 2013) 44

Figure 18 : Exemple d'un profil de mesure avec la méthode MASW. (Bodet,2005) 46

Figure 19 : Courbe de dispersion des ondes de surface 47

Figure 20 : Image de dispersion en deux dimensions obtenue par la méthode de

déphasage. 48

Figure 21 : Image de dispersion en trois dimensions obtenue par la méthode de

déphasage. 48

Figure 22 : Caractéristiques de dispersion du mode fondamental 49

VIII

Figure 23 : Courbe de dispersion en mode fondamental obtenue à partir de l'image de

dispersion illustré à la figure 22. 50

Figure 24 : Profil vertical de la vitesse des ondes de cisaillement, Vs 50

Figure 25 : Géophone enfoncé dans le sol 53

Figure 26 :Sismographe et accessoires 54

Figure 27 : « Trigger » ou déclencheur relié au marteau sur une plaque 54

Figure 28 : Dispositif de 24 capteurs et 7 tirs 55

Figure 29 : Pointage des premières arrivées des tirs avec l'application PickWin 57

Figure30 : courbes distance-temps obtenues des pointés des premières arrivées 57

Figure 31 : modèle de vitesses des couches du sous-sol 58

Figure 32 : image de dispersion en deux dimensions et la courbe de dispersion obtenues

grâce à l'application PickWin 60

Figure 33 : Profil de vitesses des ondes de cisaillement VS 61

IX

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1: Paramètres élastiques pour différents matériaux présents dans la subsurface

(Schön 2011) 14

Tableau 2: Différentes densités des matériaux terrestres 17

Tableau 3 : Vitesses des ondes de compression 59

Tableau 4 : Vitesses des ondes de cisaillement 61

Tableau 5 : Synthèse des résultats 62

Tableau 6 : Tableau récapitulatif des modules élastiques 66

X