Sensibilité et inversion de formes d'ondes complètes en milieu poreux stratifié.

Characterization of the porous media parameters, and particularly the porosity, the permeability and the fluid properties is very useful in many applications (hydrologic, natuarl hazards or oil industry). The aim of my research is to evaluate the possibility to determine these properties from the full seismic wave fields.First, I am interested in the useful parameters and the specific properties of the seismic waves in the poro-elastic theory, often called Biot (1956) theory. I then compute seismic waves propagation in fluid saturated stratified porous media with a reflectivity method coupled with the discrete wavenumber integration method. I first used this modeling to study the possibilities to determine the carbon dioxid concentration and localization thanks to the reflected P-waves in the case of the deep geological storage of Sleipner (North Sea). The sensitivity of the seismic response to the poro-elastic parameters are then generalized by the analytical computation of the Fréchet derivatives which are expressed with the Green's functions of the unperturbed medium. The numerical tests show that the the porosity and the consolidation are the main parameters to invert.The sensitivity operators are then introduced in a inversion algorithm based on iterative modeling of the full waveform. The classical algorithm of generalized least-square inverse problem is solved by the quasi-Newton technique (Tarantola, 1984). The inversion of synthetic data shows that we can invert for the porosity and the fluid and solid parameters (densities and mechanical modulus, or volumic rate of fluid and mineral) if the other parameters are well known.However, the strong seismic coupling of the porous parameters leads to difficulties to invert simultaneously for several parameters. One way to get round these difficulties is to use additional information and invert for one single parameter for the fluid properties (saturating rate) or for the lithology. An other way is to realize differential inversion, to estimate the model variations.Finally, I apply this algorithm on real data recorded on a Mediterranean coastal site. I can reconstruct a lithological model if I use additional informations from drilling measure.La détermination des paramètres d'un milieu poreux, notamment de la porosité, de la perméabilité et des propriétés du fluide saturant est un enjeu important pour des problèmes hydrologiques, pétroliers ou de risques naturels. L'objectif principal de ce travail est d'estimer ces propriétés à partir des ondes sismiques réfléchies.Les théories poro-élastiques (Biot,1956) nécessitent de nombreux paramètres pour caractériser les milieux poreux et conduisent à des propriétés particulières des ondes sismiques (deux ondes de compression, atténuation intrinsèquement définies,...). Ces équations sont résolues pour un milieu poreux stratifié plan saturé par un fluide homogène par une méthode de réflectivité associée à une intégration en nombre d'ondes discrets. Ce programme de simulation est tout d'abord utilisé pour estimer la sensibilité des ondes réfléchies à la localisation et à la concentration du dioxyde de carbone dans le cas d'un stockage dans un aquifère marin profond. La sensibilité de la réponse sismique aux différents paramètres du milieu poreux est ensuite établie de manière plus systématique par le calcul analytique des dérivées de Fréchet des sismogrammes et leur mise en oeuvre numérique. Les applications numériques réalisées indiquent que les paramètres primordiaux à déterminer sont la porosité et la consolidation.Ces opérateurs de sensibilité ont ensuite été intégrés dans un code d'inversion de formes d'ondes complètes (algorithme de Quasi-Newton). Les calculs d'inversion réalisés à partir de données synthétiques indiquent que les distributions de porosité et les paramètres caractérisant le solide et le fluide (densité et modules mécaniques) peuvent être correctement reconstruits lorsque les autres paramètres sont bien déterminés.Cependant, l'inversion de plusieurs paramètres reste un problème difficile du fait des couplages sismiques existant entre eux. Il est cependant possible de résoudre des problèmes complexes en ne considérant qu'un seul paramètre pour le fluide (saturation) et un pour les minéraux (lithologie), ou en effectuant des inversions différentielles pour suivre des variations du fluide.La méthode d'inversion est finalement appliquée à un jeu de données réelles acquis sur le site côtier de Maguelonne dans l'Hérault. Les variations du milieu peuvent être reconstruites en utilisant de l'information a priori venant de forages