Apport de l'inversion des formes d'onde sismique - approximation 2D élastique - à la caractérisation des milieux de la proche surface : cavités souterraines, glissements de terrain

Full waveform inversion has shown a great suitability in the acoustic case for imaging large and deep kilometric structures. Contrary to first traveltimes tomography, this imaging technique allows to process the whole seismic signal in order to produce a high resolution image of the medium. In the particular context of subsurface prospecting, the elastic approximation needs to be considered to take into account the surface waves which constitute the most part of the seismic signal, with the offset range used for such studies. In our approach, the forward problem is numerically solved in the frequency domain in order to take into account a multi-source and multi-receiver seismic device efficiently. In front of the difficulties inherent to the finite difference method with regard to complex topographies, a formulation based on finite elements discontinuous Galerkin technique is finally used. The inverse problem requires an initial guess of the inverted parameters to minimize the objective function in an iterative way. The method is first applied to simple numerical models to assess the role of the different parameters which control the inversion process. A synthetic model of the Super-Sauze earthflow, characterized by strong contrasts and a complex topography is afterwards considered to evaluate the performances of the code. This study allows us to highlight the impact of the optimisation technique used, the acquisition device, the quality of the initial model and the contribution of the preconditioning strategy used in the inversion process. The approach is then applied to examples using real data acquired over the Jargeau site (45) in the presence of a cavity, and over the Super-Sauze earthflow (04). The difficulties inherent to real conditions require an important data pre-processing. The source estimation is also a critical issue that directly impacts the convergence of the inversion. In the first case, the proposed methodology succeeds to reconstruct an image of the seismic parameters distributions (Vp and Vs) with a relatively good accuracy, the final quality of these images being dependant on the efforts produced to constrain the inversion. The second case reveals the difficulties related to complex media ; seismic data show a low signal to noise ratio, the topography is very sharp and generates a strong level of diffracted surface waves, the seismic source varies from one shot to another. Despite the complexity of the context, the inversion results are in good agreement with the geotechnical knowledge of the site.L'inversion des formes d'onde sismique a démontré toute sa pertinence dans le cas acoustique pour imager des structures kilométriques. Contrairement aux méthodes de tomographie des premiers temps d'arrivée, cette technique d'imagerie à l'avantage d'exploiter l'ensemble du signal sismique pour produire une image haute résolution du milieu. Dans le contexte de la proche surface, l'approximation élastique devient nécessaire afin de prendre en compte les ondes de surface, qui prédominent le signal sismique avec les gammes de déports utilisées. Dans notre approche, le problème direct est résolu numériquement dans le domaine fréquentiel afin de prendre en charge efficacement des acquisitions multisources et multi-récepteurs. Devant les complications générées par une approche en différences finies pour traiter les topographies complexes, une formulation en éléments finis Galerkin discontinus est finalement utilisée. Le problème inverse nécessite un modèle initial pour les paramètres inversés et permet de minimiser la fonction objectif de façon itérative. Cette méthode est appliquée dans un premier lieu à des modèles numériques simples afin de contrôler le rôle des différents paramètres de l'inversion. Un modèle synthétique du glissement de Super-Sauze, caractérisé par de forts contrastes et une topographie complexe, est par la suite utilisé pour évaluer les performances du code. Cette étude met en évidence l'importance de la méthode d'optimisation utilisée, du dispositif d'acquisition, de la qualité du modèle initial et de l'apport des stratégies de pré-conditionnement utilisées dans le processus d'inversion. La méthode est ensuite appliquée à deux jeux de données réelles, acquis respectivement au-dessus d'une cavité maçonnée à Jarjeau (45), et sur le glissement de terrain de Super-Sauze (04). Les difficultés relatives aux conditions réelles nécessitent un prétraitement important des données. L'estimation de la source constitue aussi un problème majeur qui impacte directement la convergence de l'inversion. Dans le premier cas, la méthode proposée permet de produire une image plus ou moins fidèle des distributions des vitesses du milieu, la qualité finale de ces images variant suivant les efforts mis en oeuvre pour contraindre l'inversion. Le deuxième cas illustre quant à lui toutes les difficultés relatives aux milieux complexes : les données montrent un faible rapport signal sur bruit, la topographie très découpée génère un fort taux de diffraction des ondes de surface, la signature de la source admet de fortes variations d'un tir à l'autre. Malgré la complexité du contexte, les résultats de l'inversion des formes d'onde sont en bon accord avec la connaissance géotechnique du site