La propagation sismique dans les milieux poreux est classiquement associée à des phénomènes de dispersion et d’atténuation des ondes sous l’effet des mouvements fluides. Dans certaines conditions, celle-ci peut également être associée à une conversion d’énergie sismique en énergie électromagnétique dite « sismoélectrique ». La théorie des phénomènes sismoélectriques combinant la théorie de l’électrocinétique à la poroélasticité de Biot, repose en grande partie sur les développements de Pride (1994). Sur la base de ces développements théoriques, Pride et Haartsen (1996) relient le champ électrique cosismique à l’accélération sismique qui le génère par une fonction de transfert. Nous proposons une étude quantitative des couplages sismoélectriques en vue de valider la théorie de Pride et sa généralisation en milieu non saturé. Dans ce but, nous avons développé une expérience en laboratoire sur un sable de quartz non-consolidé, menée dans la gamme du kilohertz sur la base d’un dispositif d’acquisition électrique modulable. Deux méthodes de traitement des signaux sont proposées, l’une temporelle, l’autre spectrale, permettant d’obtenir une analyse complète des vitesses de phase, atténuations et fonctions de transfert. Les expériences réalisées se sont focalisées sur l’étude du rôle de la conductivité du fluide et de la saturation en eau dans le phénomène sismoélectrique cosismique. Une étude time-lapse a ainsi pu être réalisée dans des situations de changements de salinité et de teneur en eau. Dans tous les contextes, l’étude quantitative des rapports d’amplitudes des champs sismoélectriques et sismiques E/ü montre une bonne corrélation avec les prédictions théoriques. Par ailleurs, l’étude des variations de saturation dans une gamme allant de la saturation résiduelle en eau (Sw = 0.3) à la saturation totale, montre que: i) les atténuations et fonctions de transfert ont des comportements reliés à la distribution des fluides qui influencent fortement les propriétés mécaniques du milieu ; ii) une inversion de polarité du champ sismoélectrique peut être observée dans le cas très particulier des milieux non consolidés. / Seismic propagation within porous media is usually associated with wave attenuation and dispersion phenomena related to fluid flow. Under certain circumstances, it may also be correlated to a conversion of seismic into electromagnetic energy known as “seismoelectric”. The understanding of seismoelectric phenomena, combining the theory of electrokinetic to Biot’s poroelasticity, relies mainly on the formulation by Pride (1994). On basis of these theoretical developments, Pride and Haartsen (1996) defined a transfer function expressing the link between the coseismic seismoelectric field and the seismic acceleration at its origin. We propose a quantitative analysis of coseismic seismoelectric couplings with the purpose of validating Pride’s theory and generalizing it to partially saturated media. With this aim in view we developed a laboratory experiment involving an adjustable device for electric acquisitions, conducted within the kilohertz range on unconsolidated quartz sand. Experimental data were subsequently processed in both time and frequency domains, enabling a full analysis that embraces phase velocities, attenuations and transfer functions. The conducted experiments focused on the impact of fluid conductivity and water saturation with regard to the coseismic seismoelectric phenomenon. Time-lapse monitoring were accordingly run under varying salinity or water content. In all scenarios, the quantitative analysis of the electric-to-seismic amplitude ratio E/ü appeared in good agreement with theoretical projections. Moreover, investigations of saturation variations, ranging from the residual water saturation (Sw = 0.3) to full saturation, showed that: i) the behavior of attenuations and transfer functions are directly related to fluid distribution, that greatly impacts the mechanical properties of the medium; ii) in the very peculiar case of unconsolidated media, polarity inversion of the coseismic seismoelectric field may be experienced.

Cette thèse a pour objet l'étude des couplages électrocinétiques en milieux non-saturés : d'une part les phénomènes d'électrofiltration liés à l'écoulement de l'eau, et d'autre part les couplages sismo-électriques, c'est à dire le champ électrique associé à la propagation d'une onde sismique sur le terrain. Ces couplages existent en raison du mouvement de particules chargées présentes dans l'eau. Le premier axe développé est une approche expérimentale. Des différences de potentiels d'électrofiltration ont été mesurées lors d'expériences de drainage réalisées dans une colonne de sable. Ces mesures combinées aux mesures des conditions hydrodynamiques ont mené aux premiers enregistrements continus de coefficients d'électrofiltration C en fonction de la saturation Sw. Les valeurs de coefficients normalisées ne varient pas de fa¸con monotone avec la saturation Sw. En effet, C augmente lorsque Sw diminue jusqu'à atteindre un maximum pour Sw égale à 65-85%, puis diminue avec la saturation. En outre, les valeurs expérimentales semblent pouvoir dépasser d'un facteur 100 la valeur mesurée à saturation. Ce comportement a été observé de façon similaire lors de trois expériences de drainage. La modélisation de ces signaux constitue le deuxième axe de travail. Une nouvelle expression, intégrant une contribution dynamique liée aux variations temporelles de pression, est proposée. Les résultats illustrent la nécessité d'intégrer cette contribution dynamique pour modéliser les signaux d'une des expériences, particulièrement lorsque C augmente pour Sw =[0. 65-0. 85 ; 1]. La dernière expérience tend à montrer que les conditions d'écoulement, et plus précisément le flux hydrique, pourraient jouer un rôle important dans le comportement de C. Le dernier axe développé est une approche de terrain. Les amplitudes de signaux sismo-électriques ont été étudiées en non-saturé, par la mesure d'un champ électrique Ex et d'un déplacement sismique ux, et comparées au calcul de fonctions de transfert Ex/üx. Une image de saturation du sol a été déduite de l'interprétation conjointe de données radar et de résistivité électrique. Les amplitudes sismo-électriques liées aux arrivées des ondes P et des ondes de surface, traitées indépendamment, ont pu être comparées à la teneur en eau, puis à des mesures de résistances électriques. Les résultats suggèrent que ces amplitudes sont plus faibles en milieu non-saturé. De plus, le traitement des ondes de volume et des ondes de surface a montré que ces dernières doivent être considérées indépendamment.

Compréhension et quantification du phénomène de l'électrofiltration dans les roches, signaux précurseurs de la rupture, applications aux zones volcaniques et aux zones de subduction - Conversions sismo-électromagnétiques.<br /><br />Mes thèmes de recherche concernent donc principalement les effets électriques liés aux circulations d'eau dans les roches. Les signaux électriques induits par les circulations d'eau sont appelés effets d'électrofiltration ou électrocinétiques et sont dus à la présence d'ions dans l'eau pouvant créer un courant électrique. Ce courant électrique engendre lui-même un champ magnétique. Ces effets reflètent principalement l'interaction électrique entre la roche et l'eau (appelée double- ou triple-couche électrique). En présence d'eau, des réactions chimiques et physiques se produisent à l'interface entre la roche et l'eau, dont il résulte un excédent d'ions négatifs liés à la roche, et par suite, un excédent d'ions positifs sur une couche de faible épaisseur au voisinage de l'interface, le reste du fluide restant neutre [voir Fig. B1 de Guichet et al., GJI, 2006]. Lorsque le fluide est en mouvement, ces ions positifs sont entraînés et engendrent ainsi un courant électrique, dit courant électrique de convection. Ce courant est contre-balancé par un courant de conduction (loi d'Ohm), et il en résulte une différence de potentiel électrique, on parle de potentiel d'électrofiltration ou potentiel électrocinétique.<br />La différence de potentiel électrique ainsi générée est proportionnelle au gradient de pression d'eau, ce qui en fait une méthode de choix pour la détection des circulations d'eau en subsurface. Les mesures en laboratoire sont effectuées de l'échelle centimétrique à l'échelle métrique et sont nécessaires pour contraindre les modèles de calcul des champs électriques et magnétiques induits par les circulations de fluides dans la croûte. Il est à noter que sur le terrain, les Potentiels Spontanés (PS), c'est-à-dire les potentiels électriques mesurés passivement entre deux électrodes, dont les mesures se sont largement développées ces dix dernières années, peuvent être induits par une circulation d'eau (soumise à une force liée à un gradient de pression), mais aussi par un flux de chaleur (soumis à une force liée à un gradient de température), ou encore par un gradient de concentration chimique. Ceci peut se voir dans les relations des flux couplés [Onsager, 1931 ; Sill, 1983] où chaque flux Ji (flux électrique, flux hydrique, flux de chaleur, flux de matière) est lié aux forces Xj (gradient de potentiel électrique, de pression hydrique, de température, de concentration) à travers les coefficients de couplage Lij. Pour ma part, j'ai concentré mes recherches sur une meilleure quantification du champ électrique lié aux circulations d'eau dans les roches. Le coefficient de couplage électrocinétique ou d'électrofiltration, , peut-être mesuré en laboratoire. Il est à noter que le coefficient d'électrofiltration ne dépend pas en principe de propriétés telles que porosité ou perméabilité, ce qui amène le gradient de pression hydrique à jouer le premier rôle dans la génération des potentiels d'électrofiltration [pour plus de détails on peut consulter le paragraphe " Electrokinetic Phenomena " de Jouniaux and Pozzi, JGR, 1997, et l'appendice B de Guichet et al., GJI, 2006].<br />Cette thématique de recherche a donc un intérêt potentiel, et déjà en partie éprouvé, pour la détection à distance et la caractérisation des fluides dans le sous-sol. La communauté scientifique essaie de développer son potentiel en tant qu'outil d'imagerie, d'une part dans le domaine des ressources en eau : profondeur de nappe aquifère, suivi de transferts hydrauliques, caractérisation des flux contaminés, et d'autre part dans le domaine de la géophysique des réservoirs : détection d'hydrocarbones grâce aux conversions sismo-électromagnétiques.