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Variability in bedrock depth determination using ambient noise H/V spectral ratio curves below buildings of geothermal interest

par Boulard, Coline
Président du jury Mattielli, Nadine ;Debaille, Vinciane
Promoteur Van Noten, Koen
Co-Promoteur Zeckra, Martin M. Z.
Publication Non publié, 2022-09-05

Mémoire

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Résumé :

L'énergie géothermique est en train de devenir un enjeu majeur à la suite du réchauffement climatique et à la nécessité de décarboniser notre société. En Belgique, l'un des plus gros problèmes en termes de réduction de la demande énergétique reste le chauffage et le refroidissement des bâtiments. Actuellement, de nombreuses études sont menées pour déterminer s'il est possible d'utiliser des systèmes géothermiques ouverts ou fermés, en particulier dans les quartiers urbains ou pour les grands bâtiments, dans le but de les refroidir en été et de les chauffer en hiver. Avant d'installer des systèmes géothermiques, des forages coûteux doivent être effectués pour connaître la profondeur de la roche-mère. L'objectif de ce mémoire est d'étudier les techniques géophysiques non-destructives pour prédire l'épaisseur des sédiments recouvrant la roche-mère. Ce mémoire s'inscrit dans le cadre du projet de recherche GeoCamb auquel participe l'Observatoire royal de Belgique et qui vise à étudier la géothermie à Bruxelles et dans le Brabant wallon et flamand. Il s'agit de comparer les différences d'épaisseur des sédiments à l'aide de la méthode Horizontal-over-Vertical (H/V), qui consiste en l'analyse du bruit sismique ambiant enregistré sur trois composantes (une verticale et deux horizontales) d'un sismomètre. Le rapport spectral H/V est calculé en divisant les composantes horizontales par la composante verticale, ce qui donne un spectre composé d'un pic correspondant à la fréquence fondamentale (f0) du sol. Cette fréquence peut être convertie en épaisseur de sédiment avec une simple équation powerlaw qui existe déjà pour Bruxelles à partir de travaux antérieurs. En retirant l'épaisseur de sédiment obtenue de la topographie, une prédiction de l’altitude du socle rocheux est déterminée. Dans cette étude, 4 bâtiments à Bruxelles (BE) qui présentent un intérêt pour l'énergie géothermique sont étudiés : le bâtiment européen Paul Henri Spaak, l'hôpital Chirec Delta, le centre culturel d'Auderghem et le bâtiment Solaris. L'objectif était de calculer l'épaisseur des sédiments à l'aide de la méthode H/V et de comparer les profondeurs prédites du substratum rocheux avec celles des forages voisins à l'aide de 38 mesures effectuées à ces quatre endroits. L'équation de conversion de l'épaisseur des sédiments existants en substratum rocheux a été construite à partir de mesures du bruit ambiant au-dessus des forages, lorsque la profondeur du substratum rocheux était connue. Il serait intéressant de savoir si cette loi de conversion est valable pour les quatre sites étudiés. Dans cette étude, on cherche également à savoir s'il est préférable d'enregistrer le bruit ambiant pendant le jour ou la nuit ou si cela n'a pas d'importance. De plus, afin d'utiliser la technique H/V du bruit ambiant, il est courant de nettoyer les données avant de calculer le spectre H/V. Il serait intéressant de savoir s'il est possible de nettoyer les données avant de calculer le spectre. Il serait intéressant de savoir s'il est vraiment nécessaire de les nettoyer ou non. Après avoir comparé les différents résultats obtenus, cette étude montre une bonne corrélation entre la prédiction de l'épaisseur des sédiments dans les 4 sites et les forages à proximité, ce qui suggère que la loi de conversion existante fonctionne. Nous pouvons également ajouter qu'il existe une différence considérable entre la profondeur du substratum rocheux calculée avec la technique HVSR et les données visibles sur Brugeotool. L'extrapolation utilisée par Brugeotool pour combler les endroits où il n'y a pas eu de mesures par forage et le modèle géologique 3D du sommet du Massif du Brabant devrait être mis à jour pour supprimer cette différence. L'étude démontre également qu'il n'y a pas de différence évidente entre la variabilité de f0 la nuit et le jour. Ceci implique, pour les références futures, que la stabilité/les incertitudes des mesures dépendent plutôt de l'emplacement que de l'heure durant laquelle les mesures sont réalisées. Cela pourrait être dû au fait qu'il y a plus de bruit pendant la journée, et que cette énergie serait nécessaire pour avoir des données plus stables. On peut également détecter que les incertitudes sur la prédiction de l'épaisseur des sédiments (prises à partir de l'erreur sur f0) sont à chaque fois plus grandes que la différence de prédiction de l'épaisseur des sédiments entre le jour et la nuit. Cette étude montre également l'intérêt de nettoyer le spectre H/V avant de l'utiliser. En effet, même si parfois les mesures sont bonnes, il est préférable de nettoyer les données pour éviter de grosses aberrations et avoir les données les plus précises possibles. Ceci a de fortes implications pour les chercheurs qui veulent étudier la fréquence de résonance avec des procédures automatiques, sans considérer comment nettoyer les données.