Modélisation de la diffraction des ondes de cisaillement en élastographie dynamique ultrasonore

L'élastographie ultrasonore est une technique d'imagerie émergente destinée à cartographier les paramètres mécaniques des tissus biologiques, permettant ainsi d’obtenir des informations diagnostiques additionnelles pertinentes. La méthode peut ainsi être perçue comme une extension quantitative et objective de l'examen palpatoire. Diverses techniques élastographiques ont ainsi été proposées pour l'étude d'organes tels que le foie, le sein et la prostate et. L'ensemble des méthodes proposées ont en commun une succession de trois étapes bien définies: l'excitation mécanique (statique ou dynamique) de l'organe, la mesure des déplacements induits (réponse au stimulus), puis enfin, l'étape dite d'inversion, qui permet la quantification des paramètres mécaniques, via un modèle théorique préétabli. Parallèlement à la diversification des champs d'applications accessibles à l'élastographie, de nombreux efforts sont faits afin d'améliorer la précision ainsi que la robustesse des méthodes dites d'inversion. Cette thèse regroupe un ensemble de travaux théoriques et expérimentaux destinés à la validation de nouvelles méthodes d'inversion dédiées à l'étude de milieux mécaniquement inhomogènes. Ainsi, dans le contexte du diagnostic du cancer du sein, une tumeur peut être perçue comme une hétérogénéité mécanique confinée, ou inclusion, affectant la propagation d'ondes de cisaillement (stimulus dynamique). Le premier objectif de cette thèse consiste à formuler un modèle théorique capable de prédire l'interaction des ondes de cisaillement induites avec une tumeur, dont la géométrie est modélisée par une ellipse. Après validation du modèle proposé, un problème inverse est formulé permettant la quantification des paramètres viscoélastiques de l'inclusion elliptique. Dans la continuité de cet objectif, l'approche a été étendue au cas d'une hétérogénéité mécanique tridimensionnelle et sphérique avec, comme objectifs additionnels, l'applicabilité aux mesures ultrasonores par force de radiation, mais aussi à l'estimation du comportement rhéologique de l'inclusion (i.e., la variation des paramètres mécaniques avec la fréquence d'excitation). Enfin, dans le cadre de l'étude des propriétés mécaniques du sang lors de la coagulation, une approche spécifique découlant de précédents travaux réalisés au sein de notre laboratoire est proposée. Celle-ci consiste à estimer la viscoélasticité du caillot sanguin via le phénomène de résonance mécanique, ici induit par force de radiation ultrasonore. La méthode, dénommée ARFIRE (''Acoustic Radiation Force Induced Resonance Elastography'') est appliquée à l'étude de la coagulation de sang humain complet chez des sujets sains et sa reproductibilité est évaluée.

Caractérisation des sols granulaires au moyen de la vitesse des ondes de cisaillement

Les réponses des sols aux diverses sollicitations qu'ils subissent à l'état naturel sur site sont multiples et dépendent de nombreux facteurs tel que leur nature, le domaine de sollicitation, la présence d'eau et plusieurs autres facteurs (état de contrainte, présence de cavités, etc.). La connaissance du domaine des petites et moyennes déformations pour le dimensionnement de nombreux ouvrages sur des dépôts de sols argileux ou sableux est d'une grande importance. La détermination des propriétés mécaniques des sols dans le domaine des petites déformations est néanmoins importante dans plusieurs applications en géotechnique. Le besoin de déterminer le module de cisaillement des sols à faibles déformations a conduit au développement de différents outils d'investigation.Les outils non intrusifs basés sur la propagation des ondes de surface permettent de s'affranchir des problèmes de remaniement du sol et la détermination des paramètres fondamentaux (G[indice inférieur max]) du sol dans leur vrai état des contraintes. L'étude menée dans ce travail se résume essentiellement en deux volets. Une présentation détaillée, des différentes méthodes et techniques qui déterminent la vitesse d'onde de cisaillement V[indice inférieur s] lors de la caractérisation des sols, est faite en premier stade. On se focalise à décrire le dispositif des bilames piézo-électriques (utilités, avantages et limitations). En second volet, on se consacre sur la caractérisation des sols granulaires au moyen de V[indice inférieur s]. Des simulations numériques illustrées par des essais aux laboratoires sur un modèle simplifié de la cellule oedométrique équipée du dispositif des anneaux piézo-électriques, ont été dirigés. En considérant trois sols pulvérulents de différentes propriétés granulométriques, on a pu voir les difficultés d'interprétation des résultats suivant les méthodes directes dans le domaine temporel. Alors que, des résultats traités dans le domaine fréquentiel se sont avérés plus réalistes.

L'élastographie ultrasonore dynamique vasculaire : une nouvelle modalité d'imagerie non-invasive pour la caractérisation mécanique de la thrombose veineuse

L’accident thromboembolique veineux, tel que la thrombose veineuse profonde (TVP) ou thrombophlébite des membres inférieurs, est une pathologie vasculaire caractérisée par la formation d’un caillot sanguin causant une obstruction partielle ou totale de la lumière sanguine. Les embolies pulmonaires sont une complication mortelle des TVP qui surviennent lorsque le caillot se détache, circule dans le sang et produit une obstruction de la ramification artérielle irriguant les poumons. La combinaison d’outils et de techniques d’imagerie cliniques tels que les règles de prédiction cliniques (signes et symptômes) et les tests sanguins (D-dimères) complémentés par un examen ultrasonographique veineux (test de compression, écho-Doppler), permet de diagnostiquer les premiers épisodes de TVP. Cependant, la performance de ces outils diagnostiques reste très faible pour la détection de TVP récurrentes. Afin de diriger le patient vers une thérapie optimale, la problématique n’est plus basée sur la détection de la thrombose mais plutôt sur l’évaluation de la maturité et de l’âge du thrombus, paramètres qui sont directement corrélées à ses propriétés mécaniques (e.g. élasticité, viscosité). L’élastographie dynamique (ED) a récemment été proposée comme une nouvelle modalité d’imagerie non-invasive capable de caractériser quantitativement les propriétés mécaniques de tissus. L’ED est basée sur l’analyse des paramètres acoustiques (i.e. vitesse, atténuation, pattern de distribution) d’ondes de cisaillement basses fréquences (10-7000 Hz) se propageant dans le milieu sondé. Ces ondes de cisaillement générées par vibration externe, ou par source interne à l’aide de la focalisation de faisceaux ultrasonores (force de radiation), sont mesurées par imagerie ultrasonore ultra-rapide ou par résonance magnétique. Une méthode basée sur l’ED adaptée à la caractérisation mécanique de thromboses veineuses permettrait de quantifier la sévérité de cette pathologie à des fins d’amélioration diagnostique. Cette thèse présente un ensemble de travaux reliés au développement et à la validation complète et rigoureuse d’une nouvelle technique d’imagerie non-invasive élastographique pour la mesure quantitative des propriétés mécaniques de thromboses veineuses. L’atteinte de cet objectif principal nécessite une première étape visant à améliorer les connaissances sur le comportement mécanique du caillot sanguin (sang coagulé) soumis à une sollicitation dynamique telle qu’en ED. Les modules de conservation (comportement élastique, G’) et de perte (comportement visqueux, G’’) en cisaillement de caillots sanguins porcins sont mesurés par ED lors de la cascade de coagulation (à 70 Hz), et après coagulation complète (entre 50 Hz et 160 Hz). Ces résultats constituent les toutes premières mesures du comportement dynamique de caillots sanguins dans une gamme fréquentielle aussi étendue. L’étape subséquente consiste à mettre en place un instrument innovant de référence (« gold standard »), appelé RheoSpectris, dédié à la mesure de la viscoélasticité hyper-fréquence (entre 10 Hz et 1000 Hz) des matériaux et biomatériaux. Cet outil est indispensable pour valider et calibrer toute nouvelle technique d’élastographie dynamique. Une étude comparative entre RheoSpectris et la rhéométrie classique est réalisée afin de valider des mesures faites sur différents matériaux (silicone, thermoplastique, biomatériaux, gel). L’excellente concordance entre les deux technologies permet de conclure que RheoSpectris est un instrument fiable pour la mesure mécanique à des fréquences difficilement accessibles par les outils actuels. Les bases théoriques d’une nouvelle modalité d’imagerie élastographique, nommée SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography »), sont présentées et validées sur des fantômes vasculaires. Cette approche permet de caractériser les propriétés mécaniques d’une inclusion confinée (e.g. caillot sanguin) à partir de sa résonance (amplification du déplacement) produite par la propagation d’ondes de cisaillement judicieusement orientées. SWIRE a également l’avantage d’amplifier l’amplitude de vibration à l’intérieur de l’hétérogénéité afin de faciliter sa détection et sa segmentation. Finalement, la méthode DVT-SWIRE (« Deep venous thrombosis – SWIRE ») est adaptée à la caractérisation de l’élasticité quantitative de thromboses veineuses pour une utilisation en clinique. Cette méthode exploite la première fréquence de résonance mesurée dans la thrombose lors de la propagation d’ondes de cisaillement planes (vibration d’une plaque externe) ou cylindriques (simulation de la force de radiation par génération supersonique). DVT-SWIRE est appliquée sur des fantômes simulant une TVP et les résultats sont comparés à ceux donnés par l’instrument de référence RheoSpectris. Cette méthode est également utilisée avec succès dans une étude ex vivo pour l’évaluation de l’élasticité de thromboses porcines explantées après avoir été induites in vivo par chirurgie.

Quantitative ultrasound imaging during shear wave propagation for application related to breast cancer diagnosis

Dans le contexte de la caractérisation des tissus mammaires, on peut se demander ce que l’examen d’un attribut en échographie quantitative (« quantitative ultrasound » - QUS) d’un milieu diffusant (tel un tissu biologique mou) pendant la propagation d’une onde de cisaillement ajoute à son pouvoir discriminant. Ce travail présente une étude du comportement variable temporel de trois paramètres statistiques (l’intensité moyenne, le paramètre de structure et le paramètre de regroupement des diffuseurs) d’un modèle général pour l’enveloppe écho de l’onde ultrasonore rétrodiffusée (c.-à-d., la K-distribution homodyne) sous la propagation des ondes de cisaillement. Des ondes de cisaillement transitoires ont été générés en utilisant la mèthode d’ imagerie de cisaillement supersonique ( «supersonic shear imaging » - SSI) dans trois fantômes in-vitro macroscopiquement homogènes imitant le sein avec des propriétés mécaniques différentes, et deux fantômes ex-vivo hétérogénes avec tumeurs de souris incluses dans un milieu environnant d’agargélatine. Une comparaison de l’étendue des trois paramètres de la K-distribution homodyne avec et sans propagation d’ondes de cisaillement a montré que les paramètres étaient significativement (p < 0,001) affectès par la propagation d’ondes de cisaillement dans les expériences in-vitro et ex-vivo. Les résultats ont également démontré que la plage dynamique des paramétres statistiques au cours de la propagation des ondes de cisaillement peut aider à discriminer (avec p < 0,001) les trois fantômes homogènes in-vitro les uns des autres, ainsi que les tumeurs de souris de leur milieu environnant dans les fantômes hétérogénes ex-vivo. De plus, un modéle de régression linéaire a été appliqué pour corréler la plage de l’intensité moyenne sous la propagation des ondes de cisaillement avec l’amplitude maximale de déplacement du « speckle » ultrasonore. La régression linéaire obtenue a été significative : fantômes in vitro : R2 = 0.98, p < 0,001 ; tumeurs ex-vivo : R2 = 0,56, p = 0,013 ; milieu environnant ex-vivo : R2 = 0,59, p = 0,009. En revanche, la régression linéaire n’a pas été aussi significative entre l’intensité moyenne sans propagation d’ondes de cisaillement et les propriétés mécaniques du milieu : fantômes in vitro : R2 = 0,07, p = 0,328, tumeurs ex-vivo : R2 = 0,55, p = 0,022 ; milieu environnant ex-vivo : R2 = 0,45, p = 0,047. Cette nouvelle approche peut fournir des informations supplémentaires à l’échographie quantitative statistique traditionnellement réalisée dans un cadre statique (c.-à-d., sans propagation d’ondes de cisaillement), par exemple, dans le contexte de l’imagerie ultrasonore en vue de la classification du cancer du sein.

Développement d'une nouvelle méthode de caractérisation tissulaire basée sur l'élastographie ultrasonore : application pour le dépistage précoce du cancer du sein

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent chez la femme. Il demeure la cause de mortalité la plus importante chez les femmes âgées entre 35 et 55 ans. Au Canada, plus de 20 000 nouveaux cas sont diagnostiqués chaque année. Les études scientifiques démontrent que l'espérance de vie est étroitement liée à la précocité du diagnostic. Les moyens de diagnostic actuels comme la mammographie, l'échographie et la biopsie comportent certaines limitations. Par exemple, la mammographie permet de diagnostiquer la présence d’une masse suspecte dans le sein, mais ne peut en déterminer la nature (bénigne ou maligne). Les techniques d’imagerie complémentaires comme l'échographie ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont alors utilisées en complément, mais elles sont limitées quant à la sensibilité et la spécificité de leur diagnostic, principalement chez les jeunes femmes (< 50 ans) ou celles ayant un parenchyme dense. Par conséquent, nombreuses sont celles qui doivent subir une biopsie alors que leur lésions sont bénignes. Quelques voies de recherche sont privilégiées depuis peu pour réduire l`incertitude du diagnostic par imagerie ultrasonore. Dans ce contexte, l’élastographie dynamique est prometteuse. Cette technique est inspirée du geste médical de palpation et est basée sur la détermination de la rigidité des tissus, sachant que les lésions en général sont plus rigides que le tissu sain environnant. Le principe de cette technique est de générer des ondes de cisaillement et d'en étudier la propagation de ces ondes afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu via un problème inverse préétabli. Cette thèse vise le développement d'une nouvelle méthode d'élastographie dynamique pour le dépistage précoce des lésions mammaires. L'un des principaux problèmes des techniques d'élastographie dynamiques en utilisant la force de radiation est la forte atténuation des ondes de cisaillement. Après quelques longueurs d'onde de propagation, les amplitudes de déplacement diminuent considérablement et leur suivi devient difficile voir impossible. Ce problème affecte grandement la caractérisation des tissus biologiques. En outre, ces techniques ne donnent que l'information sur l'élasticité tandis que des études récentes montrent que certaines lésions bénignes ont les mêmes élasticités que des lésions malignes ce qui affecte la spécificité de ces techniques et motive la quantification de d'autres paramètres mécaniques (e.g.la viscosité). Le premier objectif de cette thèse consiste à optimiser la pression de radiation acoustique afin de rehausser l'amplitude des déplacements générés. Pour ce faire, un modèle analytique de prédiction de la fréquence de génération de la force de radiation a été développé. Une fois validé in vitro, ce modèle a servi pour la prédiction des fréquences optimales pour la génération de la force de radiation dans d'autres expérimentations in vitro et ex vivo sur des échantillons de tissu mammaire obtenus après mastectomie totale. Dans la continuité de ces travaux, un prototype de sonde ultrasonore conçu pour la génération d'un type spécifique d'ondes de cisaillement appelé ''onde de torsion'' a été développé. Le but est d'utiliser la force de radiation optimisée afin de générer des ondes de cisaillement adaptatives, et de monter leur utilité dans l'amélioration de l'amplitude des déplacements. Contrairement aux techniques élastographiques classiques, ce prototype permet la génération des ondes de cisaillement selon des parcours adaptatifs (e.g. circulaire, elliptique,…etc.) dépendamment de la forme de la lésion. L’optimisation des dépôts énergétiques induit une meilleure réponse mécanique du tissu et améliore le rapport signal sur bruit pour une meilleure quantification des paramètres viscoélastiques. Il est aussi question de consolider davantage les travaux de recherches antérieurs par un appui expérimental, et de prouver que ce type particulier d'onde de torsion peut mettre en résonance des structures. Ce phénomène de résonance des structures permet de rehausser davantage le contraste de déplacement entre les masses suspectes et le milieu environnant pour une meilleure détection. Enfin, dans le cadre de la quantification des paramètres viscoélastiques des tissus, la dernière étape consiste à développer un modèle inverse basé sur la propagation des ondes de cisaillement adaptatives pour l'estimation des paramètres viscoélastiques. L'estimation des paramètres viscoélastiques se fait via la résolution d'un problème inverse intégré dans un modèle numérique éléments finis. La robustesse de ce modèle a été étudiée afin de déterminer ces limites d'utilisation. Les résultats obtenus par ce modèle sont comparés à d'autres résultats (mêmes échantillons) obtenus par des méthodes de référence (e.g. Rheospectris) afin d'estimer la précision de la méthode développée. La quantification des paramètres mécaniques des lésions permet d'améliorer la sensibilité et la spécificité du diagnostic. La caractérisation tissulaire permet aussi une meilleure identification du type de lésion (malin ou bénin) ainsi que son évolution. Cette technique aide grandement les cliniciens dans le choix et la planification d'une prise en charge adaptée.

Amélioration de la technique des anneaux piézoélectriques (P-RAT) à l'aide des simulations 3D

La vitesse des ondes de cisaillement est généralement mesurée en laboratoire en utilisant des éléments piézoélectriques comme les bender elements (BE). Cependant, ces techniques présentent certains problèmes au niveau de l’émission à la fois des ondes primaires et de cisaillement, les effets de champ proche, les effets de bords, et l’incertitude au niveau de l’interprétation du signal. Une nouvelle technique, baptisée technique des anneaux piézoélectriques (P-RAT) a été développée dans le laboratoire géotechnique de l'Université de Sherbrooke afin de minimiser / éliminer les difficultés associées aux autres techniques, en particulier, la pénétration des échantillons, obligatoire pour la technique BE. Cette étude présente une description de la technique P-RAT ainsi que les résultats des simulations numériques réalisées avec le code informatique COMSOL afin d'étudier l'interaction entre les composantes du P-RAT et l'échantillon testé (sol ou solide). L’étude démontre l’efficacité du concept de la méthode P-RAT et présente des modifications pour améliorer la fiabilité et la performance de la méthode P-RAT afin d’étendre son applicabilité dans le domaine du génie civil. L’implémentation de la dernière génération de P-RAT dans une cellule triaxiale et une autre œdométrique était l’aboutissement de cette étude.

Modélisation pour l'imagerie des composites par ondes guidées

Parmi les méthodes les plus utilisées en inspection embarquée des structures (Structural Health Monitoring ou SHM), les techniques d’imagerie basées sur un modèle de propagation sont de plus en plus répandues. Pour les techniques d'imagerie basées sur un modèle de propagation, bien que ces techniques montent en popularité, la complexité des matériaux composites réduit grandement leur performance en détection d'endommagements comparativement aux démonstrations précédentes de leur potentiel sur des matériaux isotropes. Cette limitation dépend entre autres des hypothèses simplificatrices souvent posées dans les modèles utilisés et peut entraîner une augmentation des faux positifs et une réduction de la capacité de ces techniques à détecter des endommagements. Afin de permettre aux techniques d'imagerie basées sur un modèle d'offrir une performance équivalente à celle obtenue précédemment sur les structures métalliques, il est nécessaire d'exploiter des modèles de propagation considérant la dynamique complexe des ondes dans ce type de structures. Cette thèse présente les travaux effectués sur la modélisation de la propagation des ondes guidées dans les matériaux composites. En première partie, une amélioration simple des modèles de génération et de propagation est proposée afin de permettre de mieux reconstruire les signaux générés et propagés sur une structure composite. Par la suite, le potentiel de la technique « Excitelet » à détecter et positionner adéquatement un ou plusieurs endommagements sur un matériau, peu importe son empilement (d’un composite unidirectionnel à un matériau isotrope), est démontré tant pour le mode A[indice inférieur 0] que le mode S[indice inférieur 0]. Les résultats obtenus numériquement et expérimentalement démontrent une corrélation directe entre l'amélioration des modèles mathématiques derrière les techniques d'imagerie et la robustesse des techniques pour ce qui est de la précision sur le positionnement du dommage et du niveau de corrélation obtenu. Parmi les améliorations à la technique d'imagerie « Excitelet » proposées, une amélioration significative des résultats en imagerie est démontrée en considérant la distribution de cisaillement plan sous l’émetteur, ce qui est une nouveauté par rapport aux travaux de recherche précédents en imagerie. La performance de la technique d'imagerie via la modélisation de la propagation d'ondes guidées dans les laminés multicouches transverses isotropes est par la suite démontrée. Les équations de l'élasticité en 3D sont utilisées pour bien modéliser le comportement dispersif des ondes dans les composites, et cette formulation est par la suite implantée dans la technique d'imagerie « Excitelet ». Les résultats démontrent que l'utilisation d'une formulation mathématique plus avancée permet d'augmenter la précision quant au positionnement des dommages et à l'amplitude de la corrélation obtenue lors de la détection d'un dommage. Une analyse exhaustive de la sensibilité de la technique d’imagerie et de la propagation d’ondes aux conditions environnementales et à la présence de revêtement sur la structure est présentée en dernière partie. Les résultats obtenus montrent que la considération de la propagation complexe dans la formulation d’imagerie ainsi que la caractérisation des propriétés mécaniques « a priori » de l’imagerie améliorent la robustesse de la technique et confèrent à la technique « Excitelet » la capacité de détecter et positionner précisément un endommagement, peu importe le type de structure.

Méthodes sismiques actives adaptées à l'étude de milieux hétérogènes : application aux glissements de terrain

Résumé Les glissements de terrain représentent un des principaux risques naturels dans les régions montagneuses. En Suisse, chaque année les glissements de terrains causent des dégâts qui affectent les infrastructures et ont des coûts financiers importants. Une bonne compréhension des mécanismes des glissements peut permettre d'atténuer leur impact. Celle-ci passe notamment par la connaissance de la structure interne du glissement, la détermination de son volume et de son ou ses plans de glissement. Dans un glissement de terrain, la désorganisation et la présence de fractures dans le matériel déplacé engendre un changement des paramètres physiques et en particulier une diminution des vitesses de propagation des ondes sismiques ainsi que de la densité du matériel. Les méthodes sismiques sont de ce fait bien adaptées à l'étude des glissements de terrain. Parmi les méthodes sismiques, l'analyse de la dispersion des ondes de surface est une méthode simple à mettre en oeuvre. Elle présente l'avantage d'estimer les variations des vitesses de cisaillement avec la profondeur sans avoir spécifiquement recours à l'utilisation d'une source d'onde S et de géophones horizontaux. Sa mise en oeuvre en trois étapes implique la mesure de la dispersion des ondes de surface sur des réseaux étendus, la détermination des courbes de dispersion pour finir par l'inversion de ces courbes. Les modèles de vitesse obtenus à partir de cette procédure ne sont valides que lorsque les milieux explorés ne présentent pas de variations latérales. En pratique cette hypothèse est rarement vérifiée, notamment pour un glissement de terrain dans lequel les couches remaniées sont susceptibles de présenter de fortes hétérogénéités latérales. Pour évaluer la possibilité de déterminer des courbes de dispersion à partir de réseaux de faible extension des mesures testes ont été effectuées sur un site (Arnex, VD) équipé d'un forage. Un profil sismique de 190 m de long a été implanté dans une vallée creusée dans du calcaire et remplie par des dépôts glacio-lacustres d'une trentaine de mètres d'épaisseur. Les données acquises le long de ce profil ont confirmé que la présence de variations latérales sous le réseau de géophones affecte l'allure des courbes de dispersion jusqu'à parfois empêcher leur détermination. Pour utiliser l'analyse de la dispersion des ondes de surface sur des sites présentant des variations latérales, notre approche consiste à déterminer les courbes de dispersions pour une série de réseaux de faible extension, à inverser chacune des courbes et à interpoler les différents modèles de vitesse obtenus. Le choix de la position ainsi que de l'extension des différents réseaux de géophones est important. Il tient compte de la localisation des hétérogénéités détectées à partir de l'analyse de sismique réfraction, mais également d'anomalies d'amplitudes observées sur des cartes qui représentent dans le domaine position de tir - position du récepteur, l'amplitude mesurée pour différentes fréquences. La procédure proposée par Lin et Lin (2007) s'est avérée être une méthode efficace permettant de déterminer des courbes de dispersion à partir de réseaux de faible extension. Elle consiste à construire à partir d'un réseau de géophones et de plusieurs positions de tir un enregistrement temps-déports qui tient compte d'une large gamme de distances source-récepteur. Au moment d'assembler les différentes données une correction de phase est appliquée pour tenir compte des hétérogénéités situées entre les différents points de tir. Pour évaluer cette correction nous suggérons de calculer pour deux tir successif la densité spectrale croisée des traces de même offset: Sur le site d'Arnex, 22 courbes de dispersions ont été déterminées pour de réseaux de géophones de 10 m d'extension. Nous avons également profité du forage pour acquérir un profil de sismique verticale en ondes S. Le modèle de vitesse S déduit de l'interprétation du profil de sismique verticale est utilisé comme information à priori lors l'inversion des différentes courbes de dispersion. Finalement, le modèle en deux dimension qui a été établi grâce à l'analyse de la dispersion des ondes de surface met en évidence une structure tabulaire à trois couches dont les limites coïncident bien avec les limites lithologiques observées dans le forage. Dans celui-ci des argiles limoneuses associées à une vitesse de propagation des ondes S de l'ordre de 175 m/s surmontent vers 9 m de profondeur des dépôts de moraine argilo-sableuse caractérisés par des vitesses de propagation des ondes S de l'ordre de 300 m/s jusqu'à 14 m de profondeur et supérieur ou égal à 400 m/s entre 14 et 20 m de profondeur. Le glissement de la Grande Combe (Ballaigues, VD) se produit à l'intérieur du remplissage quaternaire d'une combe creusée dans des calcaires Portlandien. Comme dans le cas du site d'Arnex les dépôts quaternaires correspondent à des dépôts glacio-lacustres. Dans la partie supérieure la surface de glissement a été localisée à une vingtaine de mètres de profondeur au niveau de l'interface qui sépare des dépôts de moraine jurassienne et des dépôts glacio-lacustres. Au pied du glissement 14 courbes de dispersions ont été déterminées sur des réseaux de 10 m d'extension le long d'un profil de 144 m. Les courbes obtenues sont discontinues et définies pour un domaine de fréquence de 7 à 35 Hz. Grâce à l'utilisation de distances source-récepteur entre 8 et 72 m, 2 à 4 modes de propagation ont été identifiés pour chacune des courbes. Lors de l'inversion des courbes de dispersion la prise en compte des différents modes de propagation a permis d'étendre la profondeur d'investigation jusqu'à une vingtaine de mètres de profondeur. Le modèle en deux dimensions permet de distinguer 4 couches (Vs1 < 175 m/s, 175 m/s < Vs2 < 225 m/s, 225 m/s < Vs3 < 400 m/s et Vs4 >.400 m/s) qui présentent des variations d'épaisseur. Des profils de sismiques réflexion en ondes S acquis avec une source construite dans le cadre de ce travail, complètent et corroborent le modèle établi à partir de l'analyse de la dispersion des ondes de surface. Un réflecteur localisé entre 5 et 10 m de profondeur et associé à une vitesse de sommation de 180 m/s souligne notamment la géométrie de l'interface qui sépare la deuxième de la troisième couche du modèle établi à partir de l'analyse de la dispersion des ondes de surface. Abstract Landslides are one of the main natural hazards in mountainous regions. In Switzerland, landslides cause damages every year that impact infrastructures and have important financial costs. In depth understanding of sliding mechanisms may help limiting their impact. In particular, this can be achieved through a better knowledge of the internal structure of the landslide, the determination of its volume and its sliding surface or surfaces In a landslide, the disorganization and the presence of fractures in the displaced material generate a change of the physical parameters and in particular a decrease of the seismic velocities and of the material density. Therefoe, seismic methods are well adapted to the study of landslides. Among seismic methods, surface-wave dispersion analysis is a easy to implement. Through it, shearwave velocity variations with depth can be estimated without having to resort to an S-wave source and to horizontal geophones. Its 3-step implementation implies measurement of surface-wave dispersion with long arrays, determination of the dispersion curves and finally inversion of these curves. Velocity models obtained through this approach are only valid when the investigated medium does not include lateral variations. In practice, this assumption is seldom correct, in particular for landslides in which reshaped layers likely include strong lateral heterogeneities. To assess the possibility of determining dispersion curves from short array lengths we carried out tests measurements on a site (Arnex, VD) that includes a borehole. A 190 m long seismic profile was acquired in a valley carved into limestone and filled with 30 m of glacio-lacustrine sediments. The data acquired along this profile confirmed that the presence of lateral variations under the geophone array influences the dispersion-curve shape so much that it sometimes preventes the dispersion curves determination. Our approach to use the analysis of surface-wave dispersion on sites that include lateral variations consists in obtaining dispersion curves for a series of short length arrays; inverting each so obtained curve and interpolating the different obtained velocity model. The choice of the location as well as the geophone array length is important. It takes into account the location of the heterogeneities that are revealed by the seismic refraction interpretation of the data but also, the location of signal amplitude anomalies observed on maps that represent, for a given frequency, the measured amplitude in the shot position - receiver position domain. The procedure proposed by Lin and Lin (2007) turned out to be an efficient one to determine dispersion curves using short extension arrays. It consists in building a time-offset from an array of geophones with a wide offset range by gathering seismograms acquired with different source-to-receiver offsets. When assembling the different data, a phase correction is applied in order to reduce static phase error induced by lateral variation. To evaluate this correction, we suggest to calculate, for two successive shots, the cross power spectral density of common offset traces. On the Arnex site, 22 curves were determined with 10m in length geophone-arrays. We also took advantage of the borehole to acquire a S-wave vertical seismic profile. The S-wave velocity depth model derived from the vertical seismic profile interpretation is used as prior information in the inversion of the dispersion-curves. Finally a 2D velocity model was established from the analysis of the different dispersion curves. It reveals a 3-layer structure in good agreement with the observed lithologies in the borehole. In it a clay layer with a shear-wave of 175 m/s shear-wave velocity overlies a clayey-sandy till layer at 9 m depth that is characterized down to 14 m by a 300 m/s S-wave velocity; these deposits have a S-wave velocity of 400 m/s between depths of 14 to 20 m. The La Grand Combe landslide (Ballaigues, VD) occurs inside the Quaternary filling of a valley carved into Portlandien limestone. As at the Arnex site, the Quaternary deposits correspond to glaciolacustrine sediments. In the upper part of the landslide, the sliding surface is located at a depth of about 20 m that coincides with the discontinuity between Jurassian till and glacio-lacustrine deposits. At the toe of the landslide, we defined 14 dispersion curves along a 144 m long profile using 10 m long geophone arrays. The obtained curves are discontinuous and defined within a frequency range of 7 to 35 Hz. The use of a wide range of offsets (from 8 to 72 m) enabled us to determine 2 to 4 mode of propagation for each dispersion curve. Taking these higher modes into consideration for dispersion curve inversion allowed us to reach an investigation depth of about 20 m. A four layer 2D model was derived (Vs1< 175 m/s, 175 m/s <Vs2< 225 m/s, 225 m/s < Vs3 < 400 m/s, Vs4> 400 m/s) with variable layer thicknesses. S-wave seismic reflection profiles acquired with a source built as part of this work complete and the velocity model revealed by surface-wave analysis. In particular, reflector at a depth of 5 to 10 m associated with a 180 m/s stacking velocity image the geometry of the discontinuity between the second and third layer of the model derived from the surface-wave dispersion analysis.

Les ondes séismiques et leur propagation / par M. E. Rothé

Collection : Mémorial des sciences physiques ; 12

Une carte des zones de cisaillement ductiles des Alpes Centrales

The main deformation structures due to the Tertiary continental collision in the Western Swiss Alps are ductile shear zones. Four main shear zones can be recognized on the structural map, each characterised by a different shear direction. The first D I shear zone with a X I, SE (transverse) stretching direction has been created during the under-thrusting towards the SE of the European plate under the Adriatic plate. This took place mainly by ductile deformation of the upper part of the European continental basement with the formation of the external massifs basement folds and the Penninic foldnappes. The second D II shear zone (Simplon ductile shear zone) is characterized by a XII stretching, dipping from 0 to 30-degrees to the SW (longitudinal stretching). It is approximately 10 km wide, and crosses the Alpine nappes in an oblique direction. It corresponds to a relative SW transport direction of the upper units together with the Adriatic plate. This dextral transpression zone is also responsible for the stretching parallel to the elongation of the Alpine belt. The third D III shear zone is made of mylonites with a steep stretching direction and corresponds to the hanging wall of the Canavese reverse fault. The D IV shear zones, dextral wrench zones combined with underthrusting movement, are characterised by a W and SW stretching direction. They were formed during and after the S facing backfolding which for instance made the Mischabel fold and the Boggioleto fold. Actually it occupies two narrow areas of more ductile rocks between the Mischabel backfold to the N and the Monte Rosa nappe to the S and allong the Canavese Line. These dextral shear zones represent probably the western continuation of the Tonale Line dextral wrench fault. The D I to IV ductile shear zone were formed under greenschist and amphibolite facies conditions during the Tertiary orogenic metamorphism. Their regional distribution is limited to the metamorphic ductile zone representing the deep part of the Alpine belt, between 10 and 30 km depth. The emplacement and orientation of the shear zones was also directed by the geometry of the boundaries of the European and Adriatic plates. The analysis of the superposed Central Alpine shear zones permits thus to propose a model of the history of the relative convergent and wrench movements which took place between the European and Adriatic plates during the Alpine Tertiary continental collision.