Analyse Spectrale des Ondes de Surface - Infoterre
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Applicatiqn de la méthode SAS W (Analyse Spectrale des Ondes de Surface) dans le district d'Annecy Décembre 1998 R 40392 Application de la méthode SAS W (Analysr Spectrale des Ondes de Surface) dans le district d'Annecy H. Fabriol, A. Bitri, B. Lebrun, J.M. Baltassat Avec la collaboration de G. Richalet Décembre 1998 R 40392 Application de la methode SASW dans le distnct d'Annecy Mots clés : Vitesse de cisaillement, dispersion, microzonage sismique, Annecy En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Fabriol H., Bitri A., Lebrun B., Balîassat J.M., Richalet G. (1998) - Application de la méthode SASW (Analyse Spectrale des Ondes de Surface) dans le district d'Annecy (France). Rap. BRGM R 40392, 40 p, 22 fig. O BRGM, 1998, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du BRGM 2 Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASW dans le distnct d'Annecy Synthèse La méthode SASW (Spectral Analysis of Surface Waves, Analyse spectrale des Ondes de Surface) a été appliquée à l'étude des sols dans le cadre d'une étude de microzon-e sismique de la région d'Annecy. Des mesures ont été réalisées avec un dispositif de sismique réfraction dans trois sites urbains de la ville d'Annecy, et trois sites périphériques : Aéroport, Les Îles- ives du Fier et Metz-Tessy. Trois types de sources ont été utilisés : dynamite, marteau et chute de poids, ce dernier étant particuliéremenr adapté aux sites urbains. Les résultats montrent que la méthode est capable de pénétrer jusqu'à 30 m de profondeur en milieu urbain et jusqu'à 60 m en milieu périurbain avec une source explosive. L'inversion des courbes de dispersion permet de déteminer des coupes de vitesse Vs en fonction de la profondeur, validées de surcroît par l'interprétation des ondes de volume réfractées associées. Les modèles obtenus indiquent une grande variabilité de Vs, et par là même du module de rigidité G, dans le sous-sol de la région d'Annecy. Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASW dans le district d'Annecy Sommaire .................................................................................................................... 5 1.Description de la méthode e t d u dispositif expérimental ........................................ 7 Introduction 1.1. Principe ...................................................................................................................... 7 1.2. Mise en oeuvre...........................................................................................................7 .. .. 1.2.1. dispositif experimental ....................................................................................8 1.2.2. choix de la source ............................................................................................ 8 1.2.3. choix du site..................................................................................................... 9 . 2 Mise en oeuvre dans le district d'annecy ................................................................ 11 2.1. Aéroport d'annecy-meythet...................................................................................... 11 2.2. Zone industrielle des îles, commune de metz-tessy ................................................ 13 2.3. Stade de football de metz-tessy ............................................................................... 13 2.4. Stade municipal et stade du coteau .......................................................................... 13 2.5. Jardins du paquier .................................................................................................... 13 . 3 Interprétation ............................................................................................................ 15 3.1. Méthodologie........................................................................................................... 15 3.2. Aéroport d'annecy-meythet................................................................................ 18 3.3. Zone industrielle des iles, commune de metz-tessy ................................................ 23 3.4. Stade de football de metz-tessy ............................................................................... 29 3.5 Stade municipal et stade du coteau ...................................................................... 31 3.6. Jardins du pâquier .................................................................................................... JJ .,- ..................................................................................................................... 37 Bibliographie ................................................................................................................. 39 Conclusion LISTE DES FIGURES .............................................................................................................................40 4 Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASW dans le dism'ct d'Annecy Introduction La détermination des spectres de réponse sur des sites non rocheux nécessite, d'une pan la connaissance du mouvement au rocher et, d'autre part, la connaissance .des caractéristiques géotechniques de la colonne de terrains afin de pouvoir évaluer les modifications du signal sismique à la surface par rapport au mouvement au rocher. L'un des paramètres les plus importants permettant cette détermination est la vitesse de propagation des ondes de cisaillement (Vs), proportionnelle au module de rigidité GiI dans les formations sumontant le substratum sismique. La méthode SASW permet de déterminer le profil de vitesse de propagation des ondes de cisaillement dans le sol grâce à la dispersion des outils de surface. Elle a déjà été testée par le BRGM sur différents sites : Orléans, Pointe-à-Pitre en Guadeloupe et sur le tracé du TGV Rhône-Méditerranée (Bitri et al., 1997). On trouvera dans ce rapport les développements théoriques nécessaires à la compréhension de la méthode et du traitement des données. La source la plus utilisée pour générer les ondes sismiques dam le sol est I'explosif. Cette source étant inutilisable en ville, il nous a fallu utiliser aussi une source à chute de poids. Ce rapport décrit l'application de la méthode dans le district d'Annecy, sur les sites suivants : Aérodrome d'Annecy-Meythet, Zone industrielle des Îles dans la wmmune de Metz-Tessy, et la wmmune d'Annecy. Ces mesures s'inscrivent dans le cadre du microzonage sismique demandé par le district d'Annecy, à la suite du tremblement de terre d'Epagny du 15 juillet 1996. 1 G=p.VsZ Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASW dans le district d'Annecy 1. Description de la méthode et du dispositif expérimental 1.1. PRINCIPE La propagation des ondes sismiques dans le sol se fait sous trois formes : les ondes de compression, les ondes de cisaillement et les ondes de surface qui sont les plus énergétiques. Ces dernières se propagent parallèlement à la surface de la terre et ont une à la vitesse des ondes de cisaillement. Il sufit donc de connaître vitesse -proportionnelle la vitesse des ondes de surface à différentes profondeurs pour connaître la vitesse des ondes de cisaillement recherchée. Si le milieu de propagation a des propriétés élastiques qui varient avec la profondeur, la vitesse des ondes de surface varie avec la longueur d'onde. Ce phénomène est appelé dispersion des ondes. La longueur d'onde peut être mise en rapport avec la profondeur de pénétration de l'onde : plus la longueur d'onde est grande, plus la profondeur de pénétration est importante et donc concerne des sols à des profondeurs importantes. Inversement, à faible longueur d'onde, la profondeur de pénétration est faible et ne concerne que les couches superficielles. En déterminant la vitesse des ondes de surface en fonction de la fréquence, on obtient la courbe de dispersion, et il est alors possible, par des méthodes mathématiques, de retrouver le profil de vitesse des ondes de surface. 'Le modèle utilisé pour faire ce calcul est un modèle de couches horizontales. 1.2. MISE EN OEUVRE La mise en œuvre expérimentale de la méthode est similaire à celle des dispositifs utilisés en sismique. On dispose les récepteurs en ligne, en les espaçant régulièremen< et on génère des ondes à l'extrémité de la ligne, tout en enregistrant le mouvement du sol pendant 1 a 2 secondes. Le traitement se fait ensuite sur micro-ordinateur. Pour e volume, 3 tirs sont valider les résultats et bénéficier de la réfraction w effectués par profil : un à chacune des extrémités et un au centre du dispositif de capteurs. Le milieu urbain pose un certain nombre de problèmes pour les expériences de ce type. Premièrement, le bruit généré par l'activité urbaine est important, et il faut donc des sources capables de produire des ondes suffisamment énergétiques pour être traitées. Deuxièmement, il est nécessaire de trouver environ 200 mètres linéaires de sol permettant l'implantation des capteurs. Enfin, les réseaux enterrés peuvent perturber l'interprétation des mesures. Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASW dans le district d'Annecy 1.2.1. Dispositif expérimental Il s'agit d'enregistrer la propagation des ondes le long d'une ligne de capteurs (géophones). Pour cette expérience, trois flûtes de 24 géophones chacune ont été utilisées : de longueur 115 m avec intertrace 5 m, de longueur 230 m avec intertrace 10 m et de longueur 460 m avec intertrace 20 m. Les géophones étaient des capteurs 4.5 Hz (3 composantes) ou 2 Hz, disposés en alternance, De la longueur du dispositii' dépend la profondeur d'investigation (on compte en général atteindre une profondeuégale à 113 de la longueur du dispositif d'enregistrement). De même; un espacement cies capteurs plus important permet une meilleure résolution des grandes longueurs d'ondes et donc une meilleure pénétration en profondeur, sachant qu'un dispositif plus long nécessite une source plus énergétique. L'enregistreur employé est une caméra 24 traces mise au point au BRGM. Elle Perm= la visualisation immédiate sur le terrain des enregistrements et la sauvegarde som format SEG-2 sur disquette 3.5". Le pas d'échantillonnage était initialement de 1 ms (pour les dispositifs marteau ou chute de poids de l'aéroport). Il a été augmenté pour tous les autres enregistrements à 2 ms. La longueur des enregistrements était soi^ Se 1 024 points (pour le dispositif court, intemace 5 m) soit de 2 018 points pour 1 s dispositifs longs. Le nombre d'enregistrements additionnés (nombre de sommation oi stack) nécessaire pour obtenir des sections sismiques acceptables est inférieur à 5 dam l'ensemble. 1.2.2. Choix de la source C'est l'élément crucial de la méthode. En effet plus la source est énergétique, plus la profondeur d'investigation est importante. De plus, une source énergétique permeâ d'avoir un meilleur rapport signai sur bmit et facilite l'interprétation. Les source habituellement utilisées sont le marteau sur une plaque de bois et la dynamite. Il va d e soi qu'en milieu urbain, la première n'est pas assez puissante et la deuxième impossible à utiliser pour des problèmes de sécurité. Nous avons donc effectué des mesures en ville avec une source à chute de poids fabriquée par la société ABEhf. Le principe e s simple : une masse de 80 kg est soulevée par des vérins et projetée à terre après mise sous pression. Nous avons tout d'abord comparé les résultats de cette source avec l a sources classiquement utilisées. Nous avons constaté qu'elle est trois à quatre fois plupuissante qu'un bon tir au marteau (et beaucoup moins fatigante). Par contre, elle ne permet pas l'utilisation de dispositifs de longueur supérieure à 120 m, du moins en milieu urbain. Rapport BRGM R 40352 Application de la méthode SASW dans le district d'Annecy 1.2.3. Choix du site Le choix du site d'expérimentation est important pour le bon déroulement et une bonne interprétation des résultats. Expérimentalement, il faut que le site soit le plus calme possible. Il faut aussi pouvoir disposer de la longueur nécessaire pour pouvoir mettre une ligne de géophones et que le terrain permette de planter les gwphones dans le sol pour assurer un meilleur couplage. Nous avons donc privilégié les jardins publics, les stades de football ainsi que l'aéroport. Rapport BRGM R 40392 Application de la methode SASW dans le districi d'Annecy 2. Mise en oeuvre dans le district d'Annecy Pour cette expérience, l'aéroport d'Annecy-Meythet (Fig.1) a été utilisé pour effectuer la comparaison entre les différentes sources et longueurs de dispositif. Ce site a été choisi pour l'accès que nous a aimablement facilité le commandant Gassiot, ainsi que l'autorisation d'effectuer des tirs à la dynamite. Ensuite, nous avons fait des mesures dans la Z.I. des Îles, pour comparer les résultats de la méthode SASW avec d'autres méthodes mises en œuvre par le Laboratoire de Géophysique Interne et Tectonophysique de Grenoble. De plus, le nombre de forages effectués par le SIVM des Îles, ainsi que des données de sismique enregistrées en 1993 par la Compagnie Générale de Géophysique (CGG) font de ce site un lieu privilégié pour la comparaison de méthodes géophysiques, ainsi que pour le calage de nouvelles méthodes. Enfin, nous avons réalisé des mesures dans quatre autres endroits du district : le Stade de football de la commune de Metz-Tessy, le Stade Municipal, le Stade du Coteau et les Jardins du Pâquier dans la ville d'Annecy. L'emplacement des différents sites est indiqué dans la figure 1 et les caractéristiques de chacun des profils sont présentées dans le tableau 1. 2.1. AEROPORT D'ANNECY-MEYTHET Seuls ont été retenus sur la figure 1 les sites pour lesquels la courbe de dispersion est interprétable. L'emplacement ARDl et ceux de ARGPl (marteau), ARCHPDl et ARCHPDGl (chute de poids) sont identiques. Pour les dispositifs ARDYPl à 6, c'est la dynamite qui a été utilisée wmme source. Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASW dans le distnct d'Annecy Site Fichier Aéroport &?Dl Sourîe Marteau Marteau Chute de poids Chute de poids Chute de poids Chute de poids Chute de poids Chute de poids Chute de poids Chute de poids Chute de poids Chute de poids Chute de poids Chute de poids Explosif (200 g) Explosif (300 g) Explosif (500 g) ARDY3 ARDY4 Explosif (200 g) Explosif (600 g) ARDY5 Explosif (100 g) FIER1 Explosif (600 g) EE&2 Explosif (600 g) FER3 Explosif (600 g) FER4 Explo (300 g) + Chute de poids Marteau (centre) ILS 1 Explosif (300 g) ILS:! Explosif (300 g) ILS3 Explosif (300 g) E&! ILS5 Explosif(300 g) Explosif (200 g) ILS6 @&l Chute de poids Chute de poids PAQ2 Chute de poids PAQ3 Chute de poids PAW Chute de poids -45 Chute de poids PAQo Chute de poids OA47 Chute de poids PAQ8 Chute de poids PAQ9 Chute de poids METzl Chute de poids METZ2 Source Fichier ARGl ARCHPDl ARCHPGl ARCHPCl ARCHPDZ ARCHPG2 ARCHPC2 AR3D AR3C AR3G AR4D AR4C AR4G ARDy1 ARDY2 Cintre Centre Centre Centre Centre Fier Mélange centre et côté Est Les Iles Caik PAquier Centre Géophones 1OHz Centre Centre Stade Metz Tessy Site Stade Municipal Comp. V et R. Comp V et R. Stade du Coteau Centre - STAD2 STAD2C STAD2C2 COTO2 COT03 Chute de poids Chute de poids Chute de poids Chute de poids Chute de poids Chute de poids Chute de poids Intertrace (m) 5 5 5 5 5 IO IO IO 5 5 5 5 5 5 10 10 20 20 20 10 10 IO 10 5 Longueur dispositif 115 115 115 115 115 230 230 230 115 115 Il5 115 115 Il5 230 230 460 460 160 230 230 230 230 115 interpritation 10 IO 10 10 10 10 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 Intertrace (m) 5 5 5 5 5 5 5 230 230 230 230 230 230 115 115 115 115 115 115 il5 115 115 115 115 Longueur dispositif 115 Il5 Il5 115 115 115 115 non oui non oui non non oui non non non oui non oui non oui oui non Interprérzuon oui oui oui oui non non non non non non nor. non non non oui id. a ARDY I oui non oui non oui non oui oui oui oui non non oui non oui Tableau 1 Guactéristiques des profis mesurés Les fichiers soulignés c o ~ o n d a r t aux emplacements de la Figure 1. Si unfichier non souligné a été interprété, l'emplacement du dispositif correspond a celui du fichier souligné immédiatement antérieur. Rapport BRGM R 40392 Application de la methode SASW dans le district d'Annecy 2.2. ZONE INDUSTRIELLE DES ILES, COMMUNE DE METZ-TESSY Quatre dispositifs ont été mis en place (Fig. 1). Les deux premiers, le long du Fier, sur le même site que celui utilisé par le Laboratoire de Géophysique Interne et Tectonophysique pour ses profils d'électrosismique. Les deux autres profils sont l'un parallèle à l'autoroute et l'autre perpendiculaiie, au niveau de la station de distribution du SIVM, identiques à ceux effectués par la CGG en 1993. Ces deux paires de dispositifs permettent d'une part, de comparer nos données à celles déjà obtenues, et d'autre part, de déterminer si la différence que nous avons vue entre l'est et l'ouest de la Zone Industrielle avec la méthode WV est due à des caractéristiques géotechniques et géophysiques différentes. 2.3. STADE DE FOOTBALL DE MER-TESSY La ville de Metz-Tessy a subi des dégâts importants pendant le séisme de 1996. De plus, les résultats obtenus par la méthode WV montrent une diminution de la fréquence de résonance entre le centre de la plaine (vers l'aéroport) et le nord (dans la ville). Nous avons donc effectué une mesure SASW sur le Stade de Metz-Tessy pour essayer de contraindre ces données. 2.4. STADE MUNICIPAL ET STADE DU COTEAU L'analyse des dégâts sur la commune d'Annecy montre une différence entre, approximativement l'est et l'ouest de l'avenue de Brogny. Les d m mesures SASW effectuées sur le Stade Municipal (à l'ouest) et le Stade du Coteau (à l'est) devraient nous permettre d'expliquer cette différenciation des dégâts et donc d'afi5~~er les résultats du microzonage. 2.5. JARDINS DU PAQUIER Là encore, l'analyse des dégâts, ainsi que la possibilité d'accès aux jardins du Pâquiq nous ont incités à y faire des mesures. En effef le vieux centre ville a subi des dégâts plus importants que la partie est au bord du lac. Nous avons donc effectué trois mesures dans les jardins (à I'ouest comme à l'est) pour essayer de contraindre ces résultats. Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASW dans le district d'Annecy Fig. 1: Plan de situafior1 des différerttsprofils J O 1 km km Rapport BRGPA R 40392 Application de la méthode SASW dans le disfrict d'Annecy 3. Interprétation 3.1. METHODOLOGIE Les données de terrain sont relues sous format SEG-Y sur PC puis transférées vers une station de travail DEC. Les logiciels de traitement et d'interprétation ont été mis au point par A. Bitri (opus cit.). Pour visualiser la collection de traces (Fig. 2) et éventuellement faire des traitements simples (par ex. mute), on utilise des fonctions (suxwigb, sugain etc.) du logiciel SU (provenant du Center of Wave Processing, Colorado School of Mines). Le logiciel divsgy calcule le diagramme de dispersion dans le domaine cf. (vitesse-fréquence). Celui-ci est visualisé à i'aide des fonctions suximage ou mximagedisp. C'est sur le diagramme de dispersion (Fig. 3) que la courbe de dispersion est saisie par l'opérateur par un pointage des maxima d'amplitude, à l'aide de la souris. L'inversion des courbes de dispersion se fait à l'aide du programme SURF (Henmann, 1987). Le résultat de l'inversion est un modèle de vitesse en une dimension de Vs en fonction de la profondeur. On trouvera dans le rapport BRGM R 39877 plus d'informations sur ces différents logiciels et des indications sur la marche à suivre pour l'inversion. Rapport BRGM R 40392 Application de la methode SASW dans le district d'Annecy Vitesse (mls) - Fig. 3 Dingrnmme de àispersion @ ~ @ZLS2). l Les courbes de dispersion, le tableau des valeurs correspondantes et les modèles de vitesse sont présentés pour chaque site. Le nombre des courbes interprétées correspond à environ 40 % du nombre de tirs effectués. Cette différence s'explique comme suit : soit les courbes n'étaient pas interprétables (énergie insuffisante, mélange entre le mode fondamental et ses harmoniques d'ordre supérieur ou encore inversion non convergente) soit les enregistrements du tir au centre ou a l'offset opposé étaient comparables à celui de l'offset initial, et donc n'apportaient aucune information supplémentaire. Parallèlement à l'interprétation SASW, une interprétation sommaire des premières arrivées directes et réfractées a été réalisée sur les sections sismiques, directement sur la centrale de mesures. Les résultats sont indiqués sur les coupes vitesse-profondeur pour chaque dispositif. Lorsque l'interprétation des arrivées S paraissait trop éloignée du modèle SASW, nous avons à un milieu classique remplacé la valeur de Vs par celle de Vpl1.7. Cette valeur idéale correspond plus aux roches qu'aux sols et ne peut donc s'appliquer qu'en première approximation. En effet, les sols ont un comportement Application de la méthode SASW dans le district d'Annecy élastoplastique et non pas élastique pur, comme c'est le cas des roches, ce qui implique des valeurs de VpNs supérieures à 1.7. Ces résultats n'ont pas été utilisés pour contraindre les inversions, par contre ils permettent la comparaison a posteriori avec les modèles calculés par la SASW et la validation éventuelle des profondeurs des interfaces. 3.2. AEROPORT D'ANNECY-MEYTHET Seul le site 1 des 4 dispositifs avec source non explosive est exploitable (Fig. 4). Le modèle comporte 4 couches et est similaire (Fig. 6), quelle que soit la source ou la position de la source par rapport au dispositif (Tab. 2). L'interprétation sommaire en réfraction du tir ARDl confirme la valeur de la vitesse de la couche 2 (620-630 mls), mais sous-estime la profondeur de son toit (Fig. 6). Cette valeur relativement élevée de la vitesse à 8 m de la surface peut s'expliquer par la baisse saisonnière du niveau de la nappe phréatique et donc une diminution de l'eau interstitielle, qui a pour effet d'augmenter Vp et Vs. La couche 3, plus lente, peut correspondre par contre soit à un niveau moins rigide (sable ou argile), soit à une augmentation de l'eau interstitielle. Cette couche n'est pas détectée par la réfraction, car les ondes réfractées n'existent pas au toit d'une couche à faible vitesse. L'interprétation en réfraction du tir ARDYl confirme la profondeur du toit de la couche 2 (entre 8 et 10 m) ainsi que l'existence d'une interface entre 28 et 35 m de profondeur (toit de la couche 4 des modèles SASW). La couche à faible vitesse détectée par SASW a pour effet de surévaluer en réfraction cette profondeur : 35 m au lieu de 28-29 m dans 3 des 4 modèles SASW. La succession couche lente-couche rapide-couche lente est validée par la superposition des courbes de dispersion théoriquelobservée et des valeurs de la diagonale de la matrice de résolution proches de 1. Cependant l'évaluation de l'épaisseur de la couche 3 est à la limite de la résolution de la méthode. En effet, les vitesses relativement élevées des 2 premières couches suggèrent une résolution de l'ordre de 10 m (pour une longueur d'onde de 40 m, correspondant à une fréquence des ondes de Rayleigh de 10 Hz dans un milieu à VR=450 mls). Cela est à comparer avec l'épaisseur supposée de la couche 3 : entre 6.4 et 12 m pour des vitesses d'ondes S comprises entre 250 mls et 370 mls. Pour ce qui est du tir avec dynamite, le dispositif ARDYl (Tab. 3 et Fig. 5a et 7), situé à proximité des dispositifs précédents (intertrace 10 m au lieu de 5m), ne détecte pas l'horizon à 8-10 m, contrairement à ?interprétation en réfraction, ni la couche à faible vitesse. Par contre, l'interface à 28-35 m, voir ci-dessus, est corroborée par ARDYI, en SASW et en réfraction, ainsi qu'une autre interface à 63 m (SASW seulement). Les valeurs de Vs calculées en réfraction sont nettement surévaluées par rapport à celles de la SASW. La plage de valeurs de Vs pour la couche 2 est 650-900 mls, en l'identifiant à la couche 4 détectée par le dispositif 1 (sources non explosives). Rapport BRGM R 40392 Application de la methode SASW dans le disfricf d'Annecy Le dispositif le plus long (intertrace 20 m) permet de calculer 3 modèles : ARDY3-4 (4 couches), ARDY3-5 (5 couches) et ARDY5 (Tab. 3 et Fig. 6b à 6d et 8). Ils placent la couche à faible vitesse à une profondeur inférieure à celle du dispositif 1 : 12-14 m au lieu de 20-23 m. Cela suggère une remontée de la couche moins rigide vers le centre des Marais d'Epagny, ce qui ne concorde pas avec l'approfondissement du soubassement molassique dans cette direction, mis en évidence par la sismique Haute-Résolution (CGG, 1991) dans la zone des Îles. Cependant une variation latérale de l'épaisseur des différents remplissages n'est pas à exclure, comme le montre aussi le profil sismique AN02 de CGG entre les traces 160 et 170. L'horizon le plus profond détecté par ARDYl, ARûY3 et 5 et l'interprétation en réfraction de ARDY3-4-5, se situe entre 57 et 63 m de profondeur. La plage des valeurs de Vs pour la couche 4 est assez large: de 490 à 1240 m/s pour la SASW. La fourchette 550-800 mls serait plus plausible car la résolution de la vitesse de la couche 3 est inférieure à 0.01 pour le modèle ARûYI. w 9- RAYLEIGH 4 rn N O"' 3 ?. I t W 4'. O O m b' ,> 0.05 O. 1 3 0.22 1 0.30 PERIOD -- O b. ARGl RAYLEIGH P- '., iI N 0," 3 +" .. $ Eu O >' d/ +- p' ;- / ..A P 0.06 I I O. 1 0 0.15 1 0.20 PERIOD c AIPCNPDI Fig. 4 - Courbes de dispersion, site Aéroport, sources non explosives. Les symboles correspondent aux données observées, la ligne continue à la réponse du modèle théorique. Rapport BRGlVl R 40392 Application de la méthode SASW dans le district d'Annecy " - RAYLEIGH YI- O .+ -_ r- 3.c 0 3 i i -1 1 O 3 O '?_ x 41 # Lu m y,-- k 8- ?_ ,.d" L- .,w UO I" O in- d ,.x" O S, RAYLEIGH - w O m rn 0.10 e"@'..D YI 1 0.17 1 I 0.23 m3 0.10 0.30 I PERIOD O VI- 1 1 0.23 0.36 0.50 PERIOD RAYLEIGH RAYLEIGH O S,_ sr, YI O O O O r 2- h 2- v E u 00 5 ,,/' el? el9 W "t 0 O O I O.16 0'.2 6 PERIOD c ARDY3-4 44' +":Q O 9 0.07 t 00 / O x? ' J O O 1 0.35 y$+++4.+u-t-r' *0.07 I I 0.16 0.26 1 0.35 PERIOD d AIPD X3-5 Fig. 5 - Courbes de dispersion, site Aéroporî, sources explosives. Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASW dans le district d'Annecy Tableau 2 - Caractéristiquesdes modèles du dispositif Aéroport 1 (sources ilon euplosives, intertrace 5m). Resv et Resh sont les valeurs de la diagonale de la matrice de résolution des vitesses et des épaisseurs. ARDYS 1 2 3 4 EP (m) 14.5 4.6 38.4 - Prof (m) O 14.5 19.1 57.5 Vs (mls) 845 147 393 831 Resv 0.35 0.79 0.97 0.8 Resh 0.71 0.73 0.68 - Tableau 3 - Caractéristiquesdes modèles du dispositifAéroport (dy?.amite, intertrace 10- ARDYI- et 20 m). Resv et Resh sont respectivemei~tles valeurs de la diagonale de la matrice de résolution des vitesses et des épaisseurs. Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASW dans le district d'Annecy Viiesse Vs (mls) 200 O. 400 600 800 1000 1200 1400 1600 IO. A R G l ARDI A R C H P G I ....... Refrac. (ART) - - Réfrac(ARDY1) Fig. 6 -Modèle de vitesse enfonction de laprofondeur, Aéroport, dispositif 1, sources non explosives. Les lignes en tireté correspondent à I'interprétntion en réfiaction. Viiesse Vs (mls) 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 - - - Réfrac (ARDYI) -ARGI 1 Fig. 7 -Modèle de vitesse en fonction de la profondeur,'Aéroport, dispositif l, dynamite (DYI). Rapport BRGM R 40392 1 Application de la méthode SASW dans le district d'Annecy Viiesse V s (mls) 1O0 600 1100 1600 O 20 -2 .......ARDYI 40 A R D Y 3 - 4 f A R D Y 3 - 5 60 A E e ........ 2 80 R D E ..-. Réfraction (bRDY3&5) 1O0 120 Fig. 8 -Modèle de vitesse en fonction de la profondeur, Adroport, dispositif3-4-5. ARDYl (en pointillés) est indiqué pour comparaison. 3.3 ZONE INDUSTRIELLE DES ILES, COMMUNE DE METZ-TESSY Les mesures dans la zone industrielle des Îles ont été réalisées avec de la dynamite comme source. Cependant, les résultats ne sont pas aussi bons que prévu (Tab. 4), entre autres à cause d'un couplage difficile entre les géophones et le sol (en graviers, très sec et compact) et de la proximité de l'autoroute, dans le cas du dispositif iLS4-5-6. Les courbes de dispersion le long du Fier génèrent deux modèles différents suivant la position de la source, "image" l'un de l'autre (Fig. 9 et 10). En fait la différence principale réside dans l'épaisseur du premier terrain, de vitesse Vs comprise entre 800 et 900 mls. Pour FIER2, source située au nord, l'épaisseur de la couche 1 est de 45 m, alors qu'elle est de 19 m pour FIER4 (tir au sud). Les deux modèles incluent ensuite des couches plus lentes, entre 400 et 500 m/s,entre 20 et 30 m pour FER2, et entre 60 et 70 m pour FIER4. L'interprétation en réfraction s'arrête a moins de 10 m et ne permet aucune comparaison. La différence entre les 2 modèles ne peut s'expliquer que par un effet en 2 dimensions qui rend difficile I'interprétation avec des modèle stratifiés. Cet effet est compatible avec I'ébde des formations superficielles dans la plaine d'Annecy, réalisée à partir des sondages. Ceux-ci montrent que les couches de terrain sont loin d'être tabulaires, tant le long du Fier que perpendiculairement (G.Lorenzo, 1995). Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASW dans le district d'Annecy Le forage profond de reconnaissance-production F6 du Syndicat des Îles est localisé à une centaine de mètres de l'extrémité nord du dispositif (Boniface et Burgéap, 1994). Sur la coupe géologique, il apparaît effectivement un horizon monotone de 35 m d'épaisseur (galets, graviers et sables grossiers) qui appuie le modèle FIER2. Une argile silteuse comportant des bancs de sables, graviers et galets lui fait suite jusqu'a 104 m. Ce genre de formation peut justifier des baisses de vitesse Vs. De même la présence d'un banc de galets calcaires à 70 m peut-ête associée à la la dernière couche à 1000 m/s du modèle FIER2 Du côté sud du dispositif, il n'est pas possible de faire ce genre de corrélations lithologiques en l'absence de forage profond. . n RAYLEIGH O O. VI- t m RAYLEIGH P II O C V) *5 ;'O /' V ./4 O O O V1 V1 0.06 O 1 0.17 0.28 PERIOD a. FIER2 1 1 0.40 O \D 0.04 1 0.16 I 0.28 I 0.40 PERIOD b. FIER4 Fig. 9 - Courbes de dispersion, Rives du Fier, source explosii~e. Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASW dans le disfncl d'Annecy WTESSE VS (rnls) O A - - - .- - - - - - - - - - - , I O -- E 20 .30 .. 2 z L! 0 P 40 -FIER2 -FIER4 - - - .Réfract FIEFQ-4 .. 50 -- - 60 - - 70 -80 - Fig. IO - Modèle de vitesse enfonction de laprofonrleur, disposii~po~allèle aux riva du Fier. Le profil perpendiculaire au Fier (Fig. 11) est assez sommaire et ne pénètre pas au-delà de 9 m de profondeur. Il indique seulement des vitesse de I'ordre 500 mls jusqu'à 9 m, reposant sur un soubassement del000 m/s, à l'aplomb du Fier. " - 0- N RAYLEIGH VITESSE VS (mls) -t - Y *w - . - .Réfract GZ FIER24 - - - - Réfract. FIER6 > 0 n <D 0.04 0.09 0.15 PERIOD o. FIER5-6 I 0.20 1 b. modèle de vitesse Fig. I I - Dispositiifpeipepsr*culaire au Fier. a: courbe de dispersion, b: coupe de vitesse. Rapport BRGM R 40392 I Application de /a méthode SASW dans le district d'Annecy Tnblenu 4 - Curactéristiques des nzodèles Riiles du Fier (intertrnce IO m et 5 nt FIERS-6) et Z.I. Les Îles, intertrnce 1 Ont, (dynamite). Resv et Resh sont respectii~ementles vnleurs (le ln rlingonnle (le ln matrice de résolution des vitesses et (les épaisseurs. Dans la suite de ce profil, le dispositif ILS2 (Fig. 12a et 13) recouvre aussi le profil AN01 de CGG. L'interprétation SASW présente la particularité de placer une couche à 800 mls entre 11 m et 36 m de profondeur. Cela est en accord avec les vitesse relativement élevées rencontrées en surface sur les rives du Fier (en contrebas d'une dizaine de mètres de la zone industrielle), en particulier avec la couche 1 du modèle FIER2. L'interprétation en réfraction corrobore la présence d'une couche rapide à proximité de la surface, mais ne va pas au-delà de 20 m de profondeur. L'interface à 60 m de profondeur (couche 4 à 970 m/s) peut être associée au toit des molasses, détecté par la sismique reflexion entre 68 et 115 m de profondeur. Rapport BRGM R 40392 Applicatioion de la méthode SASW dans ie djstrici d'Aniiecy O n RAYLEIGH N U- 'Q. 0.04 -7-- O. 1 6 I - 0.28 - 1 0.40 PERIOD a. ILS2 b. ILS4 Fig. 12 - Courbes de dispersion, Z.I. des îl~ts,source explosive. VITESSE VS (mls) 200 400 600 800 1O00 ILS2 - . . . Réfract. (ILS2) Fig. 13 - Modèle de vitesse en fonction de ln profondeur, dispositif ILSZ. Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASW dans le district d'Annecy Le profil LS4-5-6 (Fig. 12b et 14) est parallèle à l'autoroute et au profil sismique AN02 de CGG. Les épaisseurs et vitesses des couches 1 et 2 sont cohérentes avec le profil perpendiculaire ILS2 et l'interprétation en réfraction. Il n'apparaît pas cependant de couche à faible vitesse, la vitesse augmentant jusqu'à 1200 mls (Resv=0.42) à 45 m de profondeur. Cet horizon peut être assimilé aux molasses, détectées par la sismique vers 30-50 m dans cette partie du profil. Cela est compatible avec les profondeurs de 50-65 m à l'aéroport, situé à 20 m au dessus de la zone industrielle. Il est à noter cependant un effet bidimensionnel marqué. En effet, la collection de traces d'ILS6 (tir au centre) montre de grandes différences entre le côté sud (ILS4) et le côté nord (ILS5). Cela est confirmé par les courbes de dispersion VITESSE VS (mls) 200 O ->, 10 -e E 2O Z Y0 EE -- 400 600 800 1O00 1200 1400 , --Tl --- I >c---% 20 -- I I 30 -- 1 +-----l--X 40 -- 50 .- 60 - - -ILS4 - Réîract. (lLS4) Fig. 14 -Modèle de vitesse enfonction rle laprofondeur, àisposiîifZLS4. Rapport BRGM R 40392 Application de la methode SASW dans le district d'Annecy 3.4. STADE DE FOOTBALL DE METZ-TESSY Les modèles des 3 stades sont regroupés dans le tableau 5. Tableau 5 - Cmctéristiques des nwdèk-s Stades de Metz-Tessy, stades Municipal et (lu Cotenu (intertrnce 5 na). Resit et Resh sont respectil~ementles linleurs de In àiagonnle de Zn mntrice de résolution des vitesses et des épaisseurs. Rappott BRGM R 40392 Application de la méthode SASW dans le district d'Annecy La courbe de dispersion du Stade Metz-Tessy semble compliquée (Fig. 15a), alors qu'un modèle à 3 couches suffit à ajuster la courbe de dispersion (Fig. 15b). Paradoxalement les vitesses des couches 2 et 3 ne sont pas résolues correctement (Resv=O.Ol), alors que les différences entre courbe observée et calculée sont minimes. L'interprétation en réfraction confirme l'épaisseur et la vitesse de la couche 1 (5.5 m et 190 m/s). Pour les couches 2 et 3, les données SASW et réfraction peuvent être considérées comme les bornes de variation de l'épaisseur de la couche 2 et des vitesse Vs2 et Vs3. O O rn N RAYLEIGH - - "_ o0 ,-, t cgo 8 ;- > .rH+- . .. . .... . + d+ J"' 1" d d 1 0.04 I 1 0.09 0.20 0.14 PERIOD a. METZ1 VITESSE VS (mls) O 200 400 600 800 1 O00 O ....... M E Réfraction R b. modèle de vitesse Fig. 15 - Stade de Metz-Tessy. 0: courbe de dispersion, b: coupe de vitesse. Rapport ERGM R 40392 1 AppIicafion de la m&fho&?SASW dans le dism'ct d'Annecy 3.5 STADE MUNICIPAL ET STADE DU COTEAU Les courbes de dispersion du Stade Municipal sont difficiles à modéliser, c'est pourquoi nous avons choisi des modèles simples à 3 couches (Fig. 16 et 17), qui affichent des valeurs de résolution proches de 1. L'épaisseur de la couche 1 (5 rn) et la vitesse de la couche 2 (600 mls) sont confirmées par I'interprétation en réfraction. La profondeur du toit de la couche 3, 30 m, est moins bien définie.(Resh=0.5), alors que la réfraction suggère des profondeurs de 24 à 42 m, suivant la position de la source et i'interprétation des P ou des S. . 2 - RAYLEiGH 9 RAYLEIGH in w- iri-r+ - 0 2.. O" 4 "!X y n "4 W f i w ,,,,( + E* 2* U ?_ EO O "7 I I O. 14 0.03 0.24 1 0.35 m 0.03 PERIOD 0.01 0.11 1 0.15 PERIOD b. STAD.2 a. STADI - Fig. 16 Courbes de dispersion, Stade Municipal VITESSE VS (mls) 1O0 O4 300 L. 500 700 900 ......... ...._ 5 -- ................. E I O -- 0; => 3 2 15 -- -STADZ -STADI -- 20 25 -- ............................. ....... Réfraction 30 -35 -40 Fig. 17 - Modèle de vitesse enfonction de In profondeur, Stade Municipal. Rapport BRGM R 40392 Appliiation de la méthode SASW dans le district d'Annecy Au Stade du Coteau (Fig. 18 et 19), les deux premières wuches (340-360mls et 560 mls) semblent plausibles et en accord avec les valeurs trouvées au Stade Municipal. Par wntre, il est plus diff~ciled'expliquer l'existence d'une couche plus lente (<500mis) endessous de 19 m de profondeur, malgré des wurbes de dispersion qui restent stables à 450 mis pour les basses fréquences. Les modèles SASW sont en désaccord avec la réfraction qui détecte 3 wuches de vitesse croissante. 11 est possible que la transmission des ondes de surface générées par la source soit affectée par le fait que la flûte était disposée sur un bande étroite de terre entourée par du goudron, en bordure du stade (goudronné lui aussi). Fig. 18 - Courbes de dispersion, St& du Coteau VITESSE VS (mls) O -E = e z 2 400 600 800 1 O00 O 5 10 - 15 -COTO3 ......Réfraction K LU 200 COTOl O g 20 25 Fig. 19 - Modèle de ilitesse enfonction de la profondeur, Stade du Coteau. 32 Rappoit BRGM R 40392 Application de la methode SASW dans le district d'Annecy 3.6. JARDINS DU PAQUIER Deux des 3 dispositifs sont réellement interprétables. PAQl situé à l'ouest du parc dans une direction SO-NE et PAQ7, situé à l'est, sensiblement dans la même direction. Le dispositif central en direction NS, PAQ5, est bruité par des passages de camions. Il a été possible, cependant, d'obtenir des informations sur les premiers 20 m, en ne gardant que les 12 traces du tir au centre situées vers le Lac. Les 4 modèles (Tab. 6 et Fig. 20 à 22) montrent tous une première couche de 5 m environ et de vitesse S comprise entre 120 de 170 mls. Cela est confirmé par l'interprétation en réfraction des dispositifs 1 et 7, qui ne pénètrent pas au-delà. La vitesse reste inférieure à 200 m/s jusqu'à 25 m de profondeur, pour le côté ouest du Parc (PAQ7), interface que semble détecter aussi le modèle PAQ9b. En dessous de cette limite la vitesse devient supérieure à de 300 mls, mais elle est mal définie (Resv=0.52). Pour le côté est (PAQ7), le modèle est plus compliqué avec une couche 4 de 200 m/s qui s'étend jusqu'à 3 1 m de profondeur et une couche 5 de 300 mls. Tnblenu 6 :Cnrnctéristiques des nwdèles P@uicr (intertvnce 5 nt). Resv et Resh sont respectivenzent les valeurs de ln diflgonflkde In nurtrice de résolution des vitesses et des r'pnisseurs. Rapport BRGM R 40392 Appiicaffon de la méthode SASW dans le district d'Annecy - Figure 20 Courbes rle dispersion, Jardins àu Pfiquier. Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASliWdans le district d'Annecy 100 0, VITESSE VS (mls) 300 400 200 500 600 , 1 ' 5.. Li-- - - - -I 1 I O -- l 2 13 15 .. -PAQI g a I I I 20 I I - - - - Réfrac.(PAQI t; IY 25 -- I -PAQ5 .- I I I E 1 1 UI 30 -- I I 35 -- I I I - 40 Fig. 21 - Modèk & vitesse enfinction de Inpro/ondeur, Piîquier, dispositigs I et 5. 1O0 150 VITESSE VS (mis) 200 250 300 350 O 5 . - - -.- IO E 2 3 15 2Z 20 & 25 PAQ7 PAQ9b .- - - - Rélrac. (PAQ7) O E 30 35 40 - Fig. 22 Modèle de vitesse enfonction de Iapr~fonrleedr~ Piiquiev, dispositif 7-9. Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASW dans le district d'Annecy Conclusion La méthode SASW (Spectral Analysis of Surface Waves, Analyse spectrale d'ondes de surface) a été appliquée à l'étude de sols dans la région d'Annecy, dans le cadre d'une étude de microzonage sismique. Des mesures ont été réalisées dans la ville-même d'Annecy: Jardins du Pâquier, Stade Municipal et Stade du Coteau. La source à chute de poids s'est montrée être bien adaptée aux sites urbains, même si l'énergie transmise dans le sol ne permet pas de pénétrer au-delà de 30 m de profondeur. Trois autres sites périphériques, Aéroport, Les Îles- ives du Fier et Metz-Tessy, ont fait l'objet de mesures. La dynamite permet de doubler la profondeur de pénétration, jusqu'à 60 m environ. L'utilisation de géophones 4.5 Hz et 2 Hz semble améliorer le contenu en basses fréquences des courbes de dispersion. Cependant, il n'a pas été possible de montrer clairement qu'ils étaient plus performants que les géophones 10 Hz habituels. Il n'en reste pas moins que la source est l'élément fondamental pour pouvoir enregistrer dans de bonnes conditions des ondes de surface. L'inversion des courbes de dispersion permet de déterminer des coupes de vitesse Vs en fonction de la profondeur, validées de surcroît par l'interprétation des ondes de volume réfractées associées. Les modèles obtenus indiquent la grande variabilité de Vs, et par Ià-même du module de rigidité G, dans le sous-sol de la région d'Annecy. Les vitesses en surface varient de 100 mis au Pâquier (au bord du Lac) à 300 mis sur l'aéroport. Au delà de 15-20 m de profondeur, les vitesses peuvent atteindre 600-800 mis avec intercalation de couches plus lentes. Les profondeurs trouvées pour la couche associée aux molasses qui forment le soubassement sont cohérentes avec les résultats de la sismique réflexion. La présence des couches à faible vitesse pose un problème, car elles ne peuvent être validées par la réfraction, et cependant l'aspect des courbes de dispersion est sans équivoque dans la plupart des cas. Ces horizons peuvent être liés à une augmentation du contenu en eau ou à une diminution de la rigidité. Ils sont donc fondamentaux du point de vue du comportement sismique des sols, puisqu'une baisse de Vs signifie une baisse de la fréquence de résonnance. Il serait opportun de réaliser des essais de SASW dans des zones où un forage atteste de la présence de couches à faible vitesse afin de s'assurer de la relation biunivoque entre les courbes de dispersion de ce type et cette lithologie particulière. Rapport BRGM R 40392 Application de la méthode SASWdans le district d'Annecy Bibliographie Bitri A., Le Bégat S., Baltassat J.M. et Gourry J.C. (1997) - Détermination des vitesse de cisaillement des sols à partir de la dispersion des ondes de Rayleigh, Rappon BRGM R39877,49 p., 24 fig., 7 tab. Lorenzo G., (1995) - Les formations alluviales de la plaine d'Annecy - Université de Savoie, Syndicat Intercommunal du Lac d'Annecy, rapport de stage, 29 p., 10 fig., 4 annexes. Boniface frères et Burgéap, (1994) - Syndicat des Îles- Commune de Metz-Tessu, Réalisation du forage profond F6, Département de Haute-Savoie, Conseil Général, Service de l'Eau et du Milieu Naturel, 14 p., 2 fig. , 5 Annexes. CGG, (1991) - Sismique réflexion "Haute Résolution" (Secteur des Îles à Annecy), Rapport de mise en oeuvre, de traitement et d'interprétation, Conseil Générai, Département de la Haute Savoie, Service Hydraulique, 45 p., 20 fig., 1 Annexe. Hermann R.B., (1987), Computer Programs in Seismology. Saint Louis University? USA. Rapport BRGM R 40392 Application de la methode SASW dans le district d'Annecy Liste des figures Figure 1 - Plan de situation des différents profils ................................................................ 14 Figure 2 - Exemple de collection de traces (lLS2). L'axe horizontal correspond au numero de trace; l'axe vertical au temps double (s). Le tir a été effectué a .. gauche du dispositif............................................................................................ 16 Figure 3 - Diagramme de dispersion (profil lLS2) .............................................................. 1Figure 4 - Courbes de dispersion, site Aéroport, sources non explosives. Les symboles correspondent aux données observées, la ligne continue a la réponse du modèle théoriqu 19 Figure 5 - Courbes de dispersion, site Aéroport, sources explosives.................................... 2Cl Figure 6 - Modèle de vitesse en fonction de la profondeur, Aéroport, dispositif 1, sources non explosives. Les lignes en tireté correspondent à l'interprétation . en réfraction. ...................................................................................................... ?-Figure 7 - Modèle de vitesse en fonction de la profondeur, Aéroport, dispositif 1, 22 dynamite (ARDYI). ........................................................................................... Figure 8 - Modèle de vitesse en fonction de la profondeur, Aéropoq dispositif 3-4-5. ARDY 1 (en pointillés) est indiqué pour comparaison. ........................................23 Figure 9 - Courbes de dispersion, Rives du Fier, source explosive ...................................... 21 Figure 10 -Modèle de vitesse en fonction de la profondeur, dispositif parallèle aux 1rives du Fier. 2 Figure 11 -Dispositif perpendiculaire au Fier. a: courbe de dispersion, b: coupe de 1vitesse -2 * Figure 12 - Courbes de dispersion, Z.I. des Iles, source explosive ........................................27 Figure 13 -Modèle de vitesse en fonction de la profondeur, dispositif L S 2 . .............. ..........27 Figure 14 - Modèle de vitesse en fonction de la profondeur, dispositif ILS4. ........................ 28 30 Figure 15 - Stade de Metz-Tessy. a: courbe de dispersion, b: coupe de vitesse Figure 16 - Courbes de dispersion, Stade Municipal. ............................................................ 3 1 Figure 17 - Modèle de vitesse en fonction de la profondeur, Stade Municipal ....................... 3 1 Figure 18 - Courbes de dispersion, Stade du Coteau .............................................................? 2 Figure 19 -Modèle de vitesse en fonction de la profondeur, Stade du Coteau ....................... 32 Figure 20 - Courbes de dispersion, Jardins du Pâquier .......................................................... 34 Figure 21 - Modèle de vitesse en fonction de la profondeur, Pâquier, disposigfs 1 et 5 ......... 35 Figure 22 - Modèle de vitesse en fonction de la profondeur, Pâquier, dispositif7-9 .............. 35 Rapport BRGM R 40392
