Les progrès de la physique des roches permettent de plonger plus profondément dans les entrailles de la Terre
Le défi auquel sont confrontés les scientifiques qui explorent le sous-sol de la Terre s’apparente à cartographier une structure complexe sans lumière, en utilisant uniquement les ondes acoustiques et électromagnétiques qui se réverbèrent sur les surfaces. Le coût informatique lié à l’interprétation de ces échos en temps réel est colossal. La technique employée pour déchiffrer ces mesures enregistrées est appelée inversion. Financé par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie, le projet MATHROCKS a été mis sur pied pour concevoir et mettre en œuvre des méthodes de simulation et d’inversion de prochaine génération qui permettront de caractériser les matériaux composant le sous-sol de la Terre. Intégrant les dernières avancées dans les domaines des mathématiques appliquées, du calcul à haute performance et des systèmes d’acquisition de données géophysiques, MATHROCKS s’est fixé quatre objectifs ambitieux. Ceux-ci consistaient à déchiffrer la propagation des ondes dans les roches poreuses, d’affiner les méthodes numériques et les simulations, d’appliquer des techniques mathématiques avancées aux problèmes géophysiques et d’améliorer l’analyse et l’interprétation des données.
Avancées en matière d’analyse acoustique et d’interprétation géologique
Afin de caractériser avec succès les propriétés acoustiques des roches poreuses, l’équipe du projet a relevé plusieurs défis mathématiques et informatiques liés à ce processus complexe. «L’un de ceux-ci était la nécessité de réduire un domaine infini à un domaine limité, défi qui a été relevé grâce à une technique connue sous le nom de conditions aux limites absorbantes (ou artificielles)», explique David Pardo, coordinateur du projet. En outre, l’équipe a mis en place des conditions aux limites artificielles en utilisant les méthodes de Galerkine discontinues hybridables pour traiter les questions liées à la poroélasticité, à savoir l’interaction entre les pores des roches remplis de fluide et les ondes élastiques. Des schémas temporels implicites d’ordre élevé ont également été élaborés en utilisant les méthodes de Galerkine discontinues pour simuler la propagation des ondes. Malgré les difficultés inhérentes à la propagation des ondes, en particulier dans les régimes à haute fréquence caractérisés par des solutions fortement oscillantes, l’équipe a développé des schémas d’approximation d’ordre élevé efficaces et stables pour calculer des solutions précises. «Nous avons présenté une nouvelle méthode qui combine l’analyse par éléments finis et la méthode fast marching appliquée aux images d’IRM . Cette approche nous a permis de lever le voile sur la manière dont les ondes élastiques se propagent dans les roches poreuses», explique David Pardo. Les paramètres clés de la roche qui influencent la propagation des ondes ont été identifiés grâce à l’optimisation et à la récupération des propriétés de l’objet à partir des modèles de champ lointain. Les chercheurs ont utilisé des techniques d’apprentissage profond et d’optimisation des paramètres en vue d’améliorer l’analyse et l’interprétation des données géophysiques. Ces travaux visaient à améliorer la compréhension des propriétés de la Terre et à optimiser les opérations de forage. Plusieurs modèles de paramétrage ont été proposés et validés dans le cadre d’expériences, formant la version alpha du modèle qui sera ultérieurement actualisé sur la base du profil réel de la subsurface de la Terre. L’intégration d'algorithmes d’apprentissage profond aux méthodes numériques existantes a donné des résultats prometteurs à l’heure de résoudre des problèmes inverses en temps réel, ce qui a constitué un jalon important sur la route menant à la description précise de la géologie des régions analysées.
Éveiller l’intérêt de l’industrie et inspirer les futurs scientifiques
Les réalisations de MATHROCKS ont suscité l’intérêt de l’industrie géophysique, plusieurs compagnies pétrolières internationales ayant d’ores et déjà manifesté leur intérêt à intégrer les algorithmes d’apprentissage profond dans les méthodes numériques de propagation des ondes. En outre, les résultats du projet ont été présentés à l’occasion de la réunion annuelle sur l’évaluation de la formation à l’université du Texas, à Austin, à des représentants de plus de 25 compagnies pétrolières différentes. Le projet a également réalisé des progrès considérables sur le plan de la communication scientifique, en diffusant ses travaux aux niveaux local, national et européen, et en entrant en contact avec des élèves du secondaire et en participant à des journées scientifiques ouvertes pour initier les enfants à la science. En outre, une collaboration a été établie avec l’initiative «Mujeres con Ciencia» (Les femmes dans les sciences), qui vise à promouvoir la sensibilisation au rôle fondamental des femmes dans les sciences.
Mots‑clés
MATHROCKS, Terre, propagation des ondes, subsurface, roche poreuse, inversion, apprentissage profond, conditions aux limites artificielles, fast marching
