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Un géophone est un transducteur de mouvement du sol très sensible qui convertit le mouvement du sol (vitesse) en tension, qui peut être enregistrée dans une station d’enregistrement. La déviation de cette tension mesurée par rapport à la ligne de base est appelée réponse sismique et est analysée pour la structure de la terre, ce qui est utilisé par les sismologues et les géophysiciens depuis des décennies.
Les géophones sont historiquement des dispositifs analogiques passifs utilisés pour surveiller la vitesse. Ils sont généralement constitués d’un noyau magnétique, entouré d’une bobine électrique, qui se déplace dans le champ d’un aimant permanent monté sur le boîtier afin de générer un signal électrique. Lorsque le sol vibre, le boîtier se déplace mais la bobine a tendance à rester immobile. Le mouvement de l’aimant à l’intérieur de la bobine induit un courant électrique calibré en fonction de la vitesse de vibration.
Une caractéristique importante des géophones est qu’ils ne peuvent surveiller que les fréquences supérieures à leur fréquence propre, jusqu’à une fréquence parasite spécifiée. Une fréquence propre de l’ordre de 10 Hz et une fréquence parasite de l’ordre de 250 Hz sont courantes. Cette gamme de fréquences exclut l’utilisation de géophones pour certaines applications, telles que la surveillance du battage de pieux. Néanmoins, les géophones sont l’un des capteurs les plus courants utilisés pour surveiller les activités de dynamitage et de construction.
Différents géophones
Il existe trois types de géophones courants : les géophones verticaux, les géophones horizontaux et les géophones à composantes multiples. Ces derniers peuvent avoir des fréquences différentes. Généralement, nous utilisons des géophones verticaux pour les études de réfraction et d’ondes de surface et des géophones horizontaux pour la réflexion, ainsi que des géophones multi-composants pour certaines études avancées du mouvement du sol.
Fréquences des géophones
Le choix de la fréquence du géophone dépend du type d’étude sismique entreprise et de l’application. Les méthodes basées sur les ondes de surface doivent utiliser des géophones basse fréquence inférieurs à 5 Hz, tandis que les études de réfraction utilisent généralement des géophones de 10 à 28 Hz et les études de réflexion des géophones de 10 à 40 Hz. Les fréquences élevées du géophone offrent une meilleure résolution, mais limitent la profondeur ou la distance à laquelle l’énergie sismique peut être détectée.
Fréquence nominale d’un géophone
Les géophones ont une « fréquence de résonance », c’est-à-dire la fréquence de vibration à laquelle ils préfèrent osciller et donnent donc la plus grande réponse. Les géophones à basse fréquence sont capables de détecter les vibrations à basse fréquence et ce sont ces vibrations qui se propagent en profondeur et à grande distance. Un géophone à haute fréquence répondra mieux aux oscillations plus rapides, qui sont celles qui créent le plus de détails. Pour les vibrations du sol à des fréquences situées de part et d’autre de l’indice de résonance, un géophone enregistrera mieux celles qui sont supérieures à l’indice que celles qui sont inférieures ; en cas de doute, il est donc préférable d’utiliser un géophone dont la fréquence est trop basse plutôt que trop élevée.
Géophones horizontaux pour les études de réflexion
Bien que les études de réflexion puissent être réalisées avec des géophones verticaux, nous recommandons l’utilisation d’unités horizontales pour les études proches de la surface:
Ils minimisent les effets des ondes réfractées.
Le bruit aléatoire tend à être dominé par le mouvement des ondes P.
Les vitesses des ondes de cisaillement peuvent aider à différencier des vitesses VP similaires.
Ils mesureront le mouvement de cisaillement et les ondes S voyagent plus lentement, ce qui équivaut à des longueurs d’onde plus courtes et donc à une meilleure résolution.
Utilisation du même géophone pour les méthodes de réfraction, de réflexion et d’ondes de surface
Dans certaines circonstances, il est possible d’utiliser le même géophone pour ces trois types d’investigations, mais les données seraient alors compromises.
Les géophones verticaux de 4,5 Hz utilisés dans les études sur les ondes de surface pourraient être utilisés pour recueillir des données de réfraction et de réflexion, mais la résolution serait réduite. Ce problème sera plus important pour les études de réflexion, dont l’objectif est de cartographier la stratigraphie en détail.
En d’autres termes, les géophones à haute fréquence – adaptés aux travaux de réfraction et/ou de réflexion de bonne qualité – ne conviendront pas aux études sur les ondes de surface, car celles-ci requièrent des fréquences inférieures à 5 Hz.
Géophone à 3 composantes (3C)
Les géophones ordinaires sont équipés d’un seul capteur orienté de manière à être sensible aux mouvements horizontaux ou verticaux. Un géophone à trois composantes comporte trois capteurs – un monté verticalement et deux montés horizontalement à 90° l’un de l’autre (pour mesurer les mouvements horizontaux « gauche-droite » et « avant-arrière »). Ils sont couramment utilisés pour les études et les projets de surveillance des ondes de surface HVSR (Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio).
Géophone omnidirectionnel
Un géophone omnidirectionnel est un capteur géophone unique qui fonctionne de la même manière quelle que soit son orientation (à l’endroit, sur le côté, à l’envers, dans un angle).
Pour obtenir une sensibilité élevée, la masse de l’aimant est importante, ce qui influence défavorablement le couplage à haute fréquence entre le géophone et le sol dans lequel il est implanté. Différents types d’aimants permanents offrent des caractéristiques différentes aux géophones.
Les aimants AlNiCo, les aimants Samarium Cobalt et les aimants Néodyme ont tous été utilisés pour les géophones, mais les aimants AlNiCo sont toujours considérés comme la meilleure sélection d’aimants pour géophones en raison de leur grande précision, de leur stabilité et de leur rentabilité.
