Auteur(s) : Bano Maksim
Composante : EOST
Date de création : 30-06-2000

Description : Sciences de la Terre et de l'Univers, Le géoradar est une méthode de prospection géophysique fondée sur l’analyse de la propagation, de la diffraction et de la réflexion des ondes électromagnétiques (EM) haute fréquence (de 10 MHz à 1 GHz. Il est aujourd’hui largement utilisé pour l’étude de la subsurface. La profondeur d’investigation dépend de l’atténuation du milieu et de la fréquence utilisée, elle varie de 2 à 50 m. Nous avons abordé le domaine du géoradar à l’occasion d’une étude menée en collaboration avec le CEA pour adapter le traitement sismique aux données radar. Depuis 1994, plusieurs études (en 1 et 2D) ont été entreprises par notre Laboratoire d’Imagerie Tectonique. L’atténuation radar est fortement reliée à la permittivité diélectrique totale du milieu qui, en général, est une quantité complexe et montre aussi une dépendance en fréquence. Afin de modéliser les pertes diélectriques (ou l’atténuation radar) nous considérons une fonction complexe de puissance en fréquence pour la permittivité diélectrique. Cette approche nous a permis de développer une méthode originale de détermination du facteur de qualité Q des ondes radar. Lors de la propagation du signal radar dans un milieu à une reponse diélectrique complexe et dépendante de la fréquence nous observons deux phénomènes: l’amplitude du signal diminue (absorption) et sa forme change (dispersion), par conséquent le signal radar n’est pas stationnaire. Afin de tenir compte de ces phénomènes nous avons aussi développé des méthodes d’imagerie radar (filtre inverse-Q à 1 et 2D) dans le cas d’un milieu absorbant et dispersif. Cette dernière étude a été inspirée par une étude similaire faite auparavant dans le cas de l'imagerie en 1D des ondes sismiques. Des acquisitions ont été réalisées à la fois sur des objectifs tectoniques (recherche de failles actives; Mulhouse-Bâle, sur la faille de Wellington en Nouvelle Zélande et sur les failles de Nîmes et de la Moyenne Durance) et sédimentologiques (sur les dunes de sable; Tchad et Mauritanie). L’objectif était d’imager par géoradar la géométrie des dépôts sédimentaires et d’identifier les failles susceptibles de les décaler et de comprendre et d’expliquer la nature et l’origine des surfaces de discontinuités à l’intérieur d’une dune active ou ancienne. Les objets de surface tels que les lignes et les poteaux électriques, les clôtures métalliques, les arbres et les coins des immeubles peuvent produire de fortes diffractions aériennes qui, à leur tour, peuvent masquer les réflexions radar primaires provenant du sous-sol. Apres avoir reconnu ces diffractions (par une simple modélisation géométrique) nous les modélisons en utilisant une méthode d’imagerie 2D en domaine de Fourier. Ensuite nous comparons les données réelles aux diffractions synthétiques afin d’éliminer ces dernières des données réelles. Une étude de la modélisation des réflexions radar dans le cas du sable sec montre que parmi les effets de la propagation (absorption, dispersion et divergence sphérique) le plus important est la divergence sphérique. D’autre part, en utilisant une formule simple de mélange entre la constante diélectrique des sols sableux et la teneur en eau (e) dans l’échantillon, nous mettons en évidence la sensibilité du coefficient de réflexion due aux faibles changements de la teneur en eau (e) dans le sable. Ce qui explique les fortes réflexions provenant de la base de la dune actuelle., Ground-penetrating radar (GPR) is a geophysical method based on the propagation, reflection and scattering of high frequency (from 10 MHz to 1 GHz) electromagnetic (EM) waves in the earth. This method is currently used to image the subsurface. The depth of investigation depends on the EM attenuation of the medium and the frequency used and varies from 2 to 50 m. Our interest for the GPR method started during a mutual study with CEA in order to adapt the seismic processing to the radar data. Since 1994, many studies (in 1 and 2D) have been carried out by our Laboratory Imagerie Tectonique. The radar attenuation is closely related to the dielectric permittivity of the medium, which is, in general, a complex quantity and also shows a frequency dependence. In order to model for dielectric losses (or radar attenuation) we consider a complex power function of frequency for the dielectric permittivity. This approach allows us to develop an original method of determining the quality factor Q of radar waves. During the propagation of a radar signal through a medium with a complex dielectric response depending on frequency we observe two effects: the amplitude of the signal decreases (absorption) and its phase changes (dispersion), consequently the radar signal is not stationary. To account for both effects of attenuation we have also developed methods (in 1D and 2D) of inverse Q imaging of GPR data. This later study has been inspired from a similar study carried out before in the case of 1D imaging of seismic waves. Several acquisitions of GPR data have been performed for tectonic objectives (locating active faults, Mulhouse-Bâle, over the Wellington fault in New Zealand and over Nîmes and Moyenne Durance faults) and sedimentological objectives as well (over sand dunes in Tchad and Mauritanie). The aims were to image the geometry of sedimentary deposits and identify possible fault segments under vegetation cover and to understand and explain the origin and the nature of the reflections observed inside the active or old dunes. Surface objects such as: power lines, metallic fences, trees and corners of buildings are strong reflectors and can produce strong scattering that masks the reflections from the subsurface in GPR data. After recognizing these diffractions (by a simple geometrical modeling), we model them by using a zero offset imaging technique in Fourier domain. Once the modeling of the air diffractions is performed, one can use them as a mask to remove the real surface diffractions observed in the real GPR data. A recent study of modeling reflections, in the case of dry sand, shows that amongst the propagation effects (absorption, dispersion and geometrical spreading) the most important is the geometrical spreading. On the other hand using a simple mixing formula between the dielectric constant of the dry sand and the water content of the moist sand (e), we highlight the sensitivity of the reflection coefficient to small changes in water content (e) into the sand. That explains the strong reflections coming from the base of present-day dune.
Mots-clés libres : Radar à pénétration de sol Thèses et écrits académiques, Ondes électromagnétiques Diffraction Thèses et écrits académiques, Diélectriques Thèses et écrits académiques, Diffraction Modèles mathématiques Thèses et écrits académiques, Traitement d'images Thèses et écrits académiques, 550
Couverture : FR