Les méthodes sismiques peuvent jouer un rôle clé dans notre adaptation aux changements climatiques en permettant d'évaluer les caractéristiques géotechniques des sols, de surveiller les contaminants ou de caractériser les aquifères en vue d'une utilisation durable de l'eau potable. En particulier, le profilage sismique vertical possède la capacité d'imager des volumes de matériau autour du trou de forage (3D-VSP) à une résolution et à une échelle qui ne peuvent être atteintes avec d'autres méthodes d'imagerie géophysique. Cependant, les outils actuellement disponibles sur le marché sont développés majoritairement pour les applications pétrolière et gazière. De plus, la complexité et la propriété intellectuelle reliées à ces outils font de ceux-ci des boîtes noires pour la plupart des utilisateurs. Cette situation freine l'utilisation du profilage sismique vertical dans des applications géotechnique, hydrogéologique et minière. Afin de remédier à ce problème, les travaux réalisés dans le cadre de ce mémoire visent l'introduction d'instruments sismiques multicomposants, abordables, modulaires et légers qui peuvent être déployés facilement par les chercheurs et les praticiens. Le petit diamètre de l'outil et son libre accès sont des éléments clés qui vont permettre son utilisation dans plusieurs applications à des coûts raisonnables. Le système d'acquisition sismique développé est basé sur des accéléromètres très sensibles et compacts. Celui-ci a été comparé avec un numériseur de référence lors de tests en laboratoire et sur le terrain. Il affiche des performances égales et même supérieures dans le cas de signaux haute fréquence. L'outil développé est modulaire et la flexibilité de ses composants permet de le modifier facilement pour l'adapter à de nombreux autres projets d'instrumentation géophysique. Nous croyons que le système développé sous le nom de Geophysical Open Seismic Hardware représente le premier d'une série d'outils en libre accès qui contribueront à démocratiser l'utilisation de la géophysique. / Seismic methods play a key role in our adaptation to climate change by allowing us to assess geotechnical characteristics of soils, monitor contaminants, or characterize aquifers for sustainable drinking water usage. In particular, vertical seismic profiling has the ability to image volumes of material around the borehole (3D-VSP) at a resolution and scale that cannot be achieved with other geophysical imaging methods. However, the tools currently available on the market are mainly developed for oil and gas applications. In addition, the complexity and intellectual property associated with these tools have made them black boxes for most users. This situation has hindered the use of vertical seismic profiling in geotechnical, hydrogeological and mining applications. To address this problem, the work in this thesis aims to introduce affordable, modular, and lightweight multi-component seismic instruments that can be easily deployed by researchers and practitioners. The small diameter of the tool and its open access are key elements that will allow its use in several applications at reasonable costs. The seismic acquisition system developed is based on highly sensitive and compact accelerometers. It has been compared with a reference digitizer in laboratory and field tests. The latter shows equal and even better performances in the case of high frequency signals. The tool developed is modular and the flexibility of its components allows it to be easily modified to accomodate many other geophysical instrumentation projects. We believe that the developed system (Geophysical Open Seismic Hardware) represents the first of a series of open source tools that will democratize the use of geophysics.

L'enregistrement, à l'intérieur d'un puits de forage, du champ d'ondes élastiques généré par une source sismique permet d'étudier en détail, suivant la profondeur et suivant Ie temps, la formation et la propagation des différentes ondes qui constituent l'information sismique enregistrée en surface. On présente une simulation numérique de la technique des profils sismiques verticaux. Les sismogrammes synthétiques sont calculés par la méthode des nombres d'ondes discrets pour des milieux à stratification plane, et les champs d'ondes sont produits par une force ponctuelle verticale appliquée en surface ou une source ponctuelle explosive placée à faible profondeur. Les effets de l'atténuation et de la dispersion sont pris en compte dans les solutions. Les calculs réalisés à la fois dans les cas acoustique et élastique montrent toute la complexité de la propagation des ondes, et mettent en évidence l'importance des ondes transversales et converties en profondeur. On s'intéresse, dans une seconde partie, aux mesures d 'atténuation des ondes sismiques réalisées à partir de profils verticaux. On montre que les déterminations d'atténuation, obtenues par la méthode du rapport spectral réduit, sont fortement influencées par la stratigraphie locale au voisinage des récepteurs. Pour éliminer les effets de la stratification du milieu, on étudie une déconvolution de la structure en vitesse et en densité, avant d'introduire une nouvelle méthode d'inversion des facteurs de qualité pour des milieux finement stratifiés à une dimension. Cette méthode repose sur un processus itératif, et amène un gain appréciable dans la résolution en profondeur de la détermination de l'atténuation intrinsèque des roches.

Les informations fournies par le Profilage Sismique Vertical (PSV) se révèlent précieuses dans l'analyse des structures subverticales qui est fréquemment liées aux gisements métalliques. Elles offrent également un éclairage plus approfondi sur la capacité portante des sols en géotechnique et peuvent servir à définir la composition des strates lithologiques des aquifères. La majorité des utilisateurs de ces méthodes se trouvent dans le domaine des énergies fossiles, comme dans les contextes pétrolier et gazier. Toutefois, les équipements actuellement disponibles sur le marché ne conviennent pas aux diamètres courants des forages utilisés dans les domaines de l'exploration minière et de la géotechnique. Les outils conçus pour l'industrie pétrolière et gazière, qui doivent résister à des pressions hydrauliques et des températures élevées, présentent souvent un diamètre plus important que ceux des forages des autres industries. De plus, les équipements de PSV sont généralement onéreux, ce qui restreint leur utilisation dans de nombreux projets de recherche en sciences de la Terre. Le projet Geophysical Open Seismic Hardware a pour objectif de concevoir un système de PSV afin d'aider la recherche dans des domaines non conventionnels tels que l'exploration minière, la géotechnique et la caractérisation des eaux souterraines. La conception de l'outil ainsi que le choix de ses composantes ont été fait dans l'optique d'encourager l'adaptabilité et la réutilisation des systèmes, favorisant ainsi une approche plus ouverte et collaborative dans le domaine. Ce mémoire présente les différentes étapes réalisées pour la conception de la capsule étanche ainsi que ceux sur le bras et le mécanisme de couplage. Les essais en laboratoire ont démontré que le système de couplage conçu pour un forage de diamètre NQ (80 mm) est en mesure d'exercer une force de 490 N ce qui est l'équivalent de 10 fois le poids de chaque capsule. Les essaies d'étanchéité et l'intégration du système électronique à l'intérieur de la capsule étanche demeurent encore à faire. Les pièces du système mécanique sont faciles à trouver ou à remplacer par des équivalents. Celles nécessitant de l'usinage ont été conçues de façon à permettre leur production avec les méthodes d'usinage classiques qui se retrouvent dans les petits ateliers ou les universités, pour permettre aux groupes de recherche de produire cet outil ou les pièces nécessaires à leur application. / The information provided by Vertical Seismic Profiling (VSP) proves valuable in the analysis of subvertical structures frequently associated with metallic deposits. It also provides deeper insights into the load-bearing capacity of soils in geotechnics and can be used to define the lithological composition of aquifer layers. The majority of users of these methods are found in the field of fossil fuels, such as in oil and gas contexts. However, the equipment currently available on the market is not suitable for the common diameters of boreholes used in mining exploration and geotechnics. Tools designed for the oil and gas industry, which must withstand high hydraulic pressures and temperatures, often have larger diameters than those used in other industries' boreholes. Additionally, VSP equipment is generally expensive, limiting its use in many Earth science research projects. The Geophysical Open Seismic Hardware project aims to design a VSP system to support research in unconventional fields such as mining exploration, geotechnics, and groundwater characterization. The tool's design and component selection are geared towards encouraging adaptability and system reusability, fostering a more open and collaborative approach in the field. This thesis presents the various steps taken in designing the waterproof capsule as well as the arm and coupling mechanism. Laboratory tests have demonstrated that the coupling system designed for an NQ diameter borehole (80 mm) is capable of exerting a force of 490 N, which is equivalent to 10 times the weight of each capsule. Sealing tests and the integration of the electronic system inside the waterproof capsule are still pending. The parts of the mechanical system are easy to find or replace with equivalents. Those requiring machining have been designed to allow for production using conventional machining methods found in small workshops or universities, enabling research groups to produce this tool or the necessary parts for their application.