Evaluation des dispositifs d’acquisition

Les quatre profils sismiques présentés dans la partie précédente (Figures 3.16, 3.26 et 3.32) fournissent des images, de qualité variable, de la structure thermohaline superficielle (10 – 150 m) associée à la stratification saisonnière. Ces données constituent un catalogue de quatre dispositifs d’acquisition sismique, comportant :

- des systèmes de sismique conventionnelle (GO – LR #01) et de haute résolution (GO – HR #13, Carambar #14, Sigolo #9) ;

- quatre types de sources: réseaux de canons à air (GO – LR), réseaux de mini GI (GO – HR), mini GI seul (Carambar), et Sparker (Sigolo). Elles permettent de disposer de gammes de contenus fréquentiels (10 – 400 Hz), et de niveaux d’émission, de valeurs faibles (192 dB re 1 μPa @ 1 m pour Sigolo #9) à fortes (233 dB re 1 μPa @ 1 m pour GO – LR #01) ;

- trois géométries différentes, avec des offsets source –récepteur variant entre 122 et 30 m ;

- deux types de récepteurs, de traces de caractéristiques différentes.

Les paramètres d’acquisition et de traitement des quatre dispositifs évalués dans l’étude comparative présentée ci –dessous sont récapitulés dans les tableaux 3.2. et 3.3.

3.2.1 Sismique basse fréquence : GO – LR #01

Comme mis en évidence dans le chapitre 2, l’observation de structures océanographiques peu réflectives repose sur l’utilisation d’une source énergétique : plus le niveau d’émission est important, mieux les cibles seront capturées. Cette première étude de cas est ainsi consacrée au profil GO – LR# 01, obtenu au moyen d’un fort niveau d’émission de 233 dB re 1 μPa @ 1 m. L’image traitée est présentée en figure 3.16 – b.

Avant traitement spécifique, l’arrivée directe générée par cette source puissante est de forte amplitude, et elle masque une part importante de la colonne d’eau : sur la figure 3.33 – a, représentant une section en récepteur commun sans SVD, on voit que l’onde directe très énergétique s’étend jusqu’à 1000 ms TWT, soit 760 m de profondeur. Après application du filtre SVD, l’essentiel de ce signal est éliminé (Figure 3.33 – b). Néanmoins, une étude attentive du domaine le plus superficiel de la tranche d’eau sur la figure 3.16 – b montre que des artéfacts perdurent. Il est notamment difficile d’interpréter le réflecteur de faible amplitude situé entre 85 et 100 m de profondeur (Figure 3.16b – Flèche A) : bien qu’il se corrèle avec la base de la thermocline saisonnière identifiée sur l’XBT, il est possible qu’il corresponde à une relique de l’onde directe. Par ailleurs, la définition de l’image sismique est relativement mauvaise : le réflecteur associé à la base de la couche fossile est épais et flou (Figure 3.16b – Flèche B), du fait de la résolution verticale de 13 m de la source GO – LR.

De plus, le grand offset entre la source et le récepteur (122 m), combiné à la longueur importante des traces sismiques de la flûte SERCEL SEAL LR (12.5 m), induit de forts angles d’incidence, comme le montre la figure 3.12. La thermocline située à 50 m de profondeur apparaît ainsi trop superficielle pour pouvoir être restituée sans une distorsion après correction NMO : l’incidence dépasse 50 ° dès la trace #1. Dans le cas de la base de la couche fossile, située à 130 m de profondeur en moyenne, l’angle limite de 45° est atteint à la 12ème trace : travailler avec des signaux sans stretch NMO implique donc un nombre réduit de contributeurs au stack, mais la structure peut être imagée. Lors du traitement, une distorsion NMO maximum du signal de 100 % a été tolérée , ce qui a permis de doubler le nombre de contributeurs (Figure 3.12). Malgré ces fortes incidences, le filtre d’antenne est négligeable, du fait du contenu fréquentiel bas de la source GO - LR : la figure 3.34 montre que les pertes sont inférieures à 0.5 dB à 45° à la fréquence centrale de 30 Hz.

En conclusion, le dispositif GO – LR #01 présente d’importantes limitations pour l’observation de la structure thermohaline superficielle et de fine échelle : d’une part les grands offsets (> 122 m) sont inadaptés pour la détection de cibles moins profondes que 130 m, du fait des forts angles produits ; d’autre part, la source de très basses fréquences ne fournit pas une résolution verticale suffisante pour discriminer correctement les couches fines (~ 15 m, cf. Tableau 3.4) des structures cibles.

Figure 3.33. Influence du filtre SVD dans le cas du profil GO – LR #01. (a) Données triées en récepteur commun (trace #15), après filtrage passe -bande. (b) Stack après filtre SVD. Les réflecteurs au delà de 800 ms TWT correspondent au toit du meddy.

Figure 3.34. Atténuation engendrée par le filtre d’antenne pour les systèmes d’acquisition GO – HR# 13, GO –LR #01, Carambar #14 et Sigolo #9, aux fréquences centrale et supérieure de leurs contenus fréquentiels.

3.2.2 Sismique haute fréquence: GO – HR#13

Présenté en figure 3.16 – a, le profil GO – HR #13 a été effectué au niveau du même transect que GO – LR #01 (figure 3.3), et a échantillonné un milieu comparable (Figure 3.6). Acquis au moyen d’un dispositif de haute résolution, le profil fournit une image précise et détaillée de la structure thermohaline. On observe une bonne corrélation entre les données XBT et les réflecteurs fins et continus, et les structures imagées par la sismique ont pu facilement être identifiées. D’autre part, l’onde directe s’étend moins en profondeur que dans le cas de GO – LR #01, et a été éliminée de manière efficace au moyen du filtre SVD, comme le montre la figure 3.35.

Bien que le niveau d’émission soit plus faible de 15 dB par rapport à celui de GO – LR #01, l’image traitée se caractérise par un bon rapport S/B. L’estimation du niveau de bruit ambiant montre une dépendance de ce dernier à la distance au navire, indiquant des conditions de mer favorables à l’acquisition (Figure 3.13). Sur la section en récepteur commun de la trace #1 (Figure 3.36 – a), le signal de la thermocline apparaît clairement. Ainsi, le niveau d’émission produit par les deux réseaux de mini GI qui constituent la source (218 dB re 1 μPa @ 1 m) apparaît adapté à la détection des deux cibles, thermocline saisonnière et base de la couche fossile.

Le système de réception de GO- HR est plus compact que celui déployé durant l’acquisition LR : un offset source – récepteur plus petit (- 28 m par rapport à l’offset GO-LR) a été utilisé, et la flûte SERCEL SEAL HR est constituée de traces deux fois plus petites que celles du SERCEL SEAL LR. Comme le montre la figure 3.12, les angles d’incidences sont ainsi plus faibles, et la thermocline située à 50 m de profondeur peut être imagée sans distorsion liée à la correction NMO. Le nombre de contributeurs est plus important : pour une incidence limite de 50° (correspondant au stretch maximum de 100 % toléré lors du traitement), 38 traces contribuent au stack pour la cible située à 135 m, et 5 pour la thermocline. Par ailleurs, à fréquence égale, le type de trace de la flûte HR induit un effet de filtre d’antenne moins important que celui de la flûte LR, du fait de sa plus faible longueur (Figure 3.10). Néanmoins, le contenu fréquentiel de GO – HR #13 est plus haut que celui de GO – LR#01 (cf. Tableau 3.2). La figure 3.34 montre ainsi que l’atténuation liée au filtre d’antenne est significative : pour un angle de 45°, l’atténuation liée au filtre d’antenne varie entre 3 et 17 dB pour une gamme de fréquences 150 – 300 Hz.

La comparaison des acquisitions GO – LR et HR met en évidence l’importance d’une source de hautes fréquences – 250 Hz – pour imager finement la partie superficielle de la colonne d’eau. D’autre part, cette étude permet de montrer qu’un compromis peut être atteint entre niveau d’émission et résolution verticale. Néanmoins, le déploiement de la source GO – HR, constituée de deux arrays de canons, nécessite un navire de taille conséquente, ce qui peut être un frein pour les études côtières de la thermocline, souvent menées à bord de petits bateaux.

Figure 3.35. Influence du filtre SVD dans le cas du profil GO – HR #13. (en haut) Stack sans filtre SVD préalable. (en bas) Stack après filtre SVD.

Figure 3.36. Exemples de sections en récepteur commun des profils GO – HR #13 et Sigolo #9. (a) Section en récepteur commun #1 du profil GO –HR #13, après filtres passe-bande et SVD. Les bandes entre 65 et 75 ms TWT, et 100 et 115 ms TWT correspondent à l’onde directe atténuée. Le réflecteur de la thermocline saisonnière est bien visible entre 75 et 100 ms TWT environ. (b) Section en récepteur commun #2 du profil Sigolo, après filtres passe-bande et SVD. Les flèches rouges pointent les réflecteurs de faible amplitude de la thermocline saisonnière. La bande entre 25 et 35 ms TWT correspond à l’onde directe atténuée par le filtre SVD. Les deux images présentent les mêmes exagérations horizontale et verticale.

3.2.3 Sismique haute fréquence, source de petit volume : Carambar #14

Le profil Carambar #14 est présenté en figure 3.26. La source mise en œuvre pour cette acquisition présente le même contenu fréquentiel que dans le cas de GO – HR, mais se caractérise par un plus faible encombrement : il s’agit d’un canon de petit volume (cf. Tableau 3.2). La structure thermohaline du domaine superficiel de la colonne d’eau est bien capturée : l’image de l’overflow obtenue est détaillée, avec des réflecteurs fins et de bonne continuité tout le long du profil. De la même manière que pour GO – HR, l’arrivée directe, compacte, a été efficacement supprimée par le filtre SVD.

Toutefois, le niveau d’émission Carambar – 209 dB re 1 μPa @ 1 m – est nettement plus bas que ceux des sources analysées dans les deux sections précédentes (cf. Tableau 3.2). Une approche synthétique à partir des données XBT est ainsi mise en oeuvre pour étudier l’effet de ce signal de faible amplitude sur la détection des structures océanographiques peu réflectives : l’équation du sonar 2.12 (définie en section 2.2.3.2) est utilisée afin de calculer les niveaux à l’hydrophone du sommet et de la base de l’overflow, au moyen de leurs coefficients de réflexion associés (cf. Tableau 3.4) et des paramètres d’acquisition Carambar (cf. Tableau 3.2). Les deux couches limites de l’overflow produisent des signaux de 86 dB pour le sommet et 96 dB pour la base, qui apparaissent peu élevés au vu du niveau moyen de bruit de 105 dB re 1 μPa (cf. Figure 3.13). Ces résultats se corrèlent avec les observations des sections en récepteur commun : les signaux de l’overflow ne sont pas visibles pour les premières traces, au niveau desquelles le bruit du navire est important. A titre de comparaison, le même calcul effectué avec les données de l’XBT GO – HR donne un signal de 106 dB pour la thermocline de même profondeur et de plus basse réflectivité que la cible Carambar (cf. Tableau 3.4), ce qui souligne l’importance cruciale du niveau d’émission.

a)

Pour aller plus loin, les tensions associées aux niveaux de l’overflow à la sortie de la trace sismique, avant amplification, et dans un environnement sans bruit, sont déterminées au moyen des équations 2.13 et 2.19 (cf. §2.2.3.2 et 2.3.2.2). Les angles d’incidence associés au dispositif atteignent rapidement 45° (Figure 3. 12), et l’effet de l’incidence sur la réflectivité n’est plus négligeable (Tableau 3.6 et cf. 2.2.3.2 ) . Pour cette raison, la simulation est effectuée à partir des coefficients de réflexion calculés pour des angles de 0 et 45° (Tableau 3.5). Les tensions obtenues sont basses : de quelques μV à 10 μV pour le sommet de l’overflow entre 0 et 45°, et de 12.5 μV à 30 μV pour sa base. Ceci met en évidence la nécessité d’une amplification du signal en sortie de la trace, afin de fournir au convertisseur A/N des signaux d’amplitude adaptée. Un gain de 12 dB a ainsi été appliqué lors des acquisitions GO – HR, Carambar et Sigolo (cf. tableau 3.2).

L’acquisition Carambar a été effectuée en utilisant le même récepteur que GO-HR, dans une configuration à 96 traces (au lieu de 72). Les contenus fréquentiels étant identiques, et les cibles de profondeur comparable, une même atténuation par filtre d’antenne est observée (Figure 3.34). Néanmoins, l’offset source – récepteur de Carambar est 3 fois plus petit que celui de GO – HR (cf. Tableau 3.2), induisant des incidences plus faibles. La figure 3.12 montre ainsi qu’à profondeur égale, un plus grand nombre de traces contribue au stack. Pour le sommet et la base de l’overflow, les contributeurs varient respectivement entre 12 et 31.

Finalement, le rapport S/B du profil Carambar traité apparaît inférieur à celui de GO – HR : ceci s’explique par un environnement davantage bruité (Figure 3.13), et un niveau d’émission plus faible de 9 dB. Mis en œuvre dans le cadre d’une étude géologique du sous-sol, le dispositif d’acquisition Carambar nécessite une optimisation de i – l’aspect énergétique, et ii – des offsets, qui restent importants, comme le montre la figure 3.11. Néanmoins, l’absence de structures thermohalines à des profondeurs inférieures à 50 m ne permet pas d’aller plus loin dans l’analyse des performances du système pour la détection de cibles océanographiques très superficielles.

COEFFICIENT DE REFLEXION

Incidence verticale Incidence de 45°

GO-HR#13, thermocline saisonnière -83 dB -77 dB

Carambar#14 - Sommet overflow - Base overflow - 91 à – 88 dB - 77 à – 76 dB -81 à –80 dB –68 dB

Sigolo, thermocline saisonnière -74 dB -67 dB

Tableau 3.5. Coefficients de réflexion de structures imagées par les profils GO – HR #13, Carambar #14 et Sigolo #9 calculés pour une incidence verticale et de 45°.

3.2.4 Sismique haute fréquence, source électrique de basse énergie : Sigolo #9

Lors de l’acquisition du profil Sigolo #9, la colonne d’eau présentait une stratification bien établie en surface, avec une thermocline saisonnière deux fois moins profonde que celles détectées sur les profils précédents (cf. Tableau 3.4). Les données Sigolo permettent d’aborder le cas de la détection de structures océanographiques très superficielles au moyen d’un Sparker, une source de faible encombrement et de haute résolution (cf. §2.3.2.1a), dans les mêmes conditions de réception (flûte, géométrie, navire) que l’acquisition Carambar (cf. Tableau 3.2). Comme le montre la figure 3.26, la résolution verticale de 1.5 m assurée par le Sparker Sigolo permet une discrimination fine des changements de température liés à la thermocline. Comme pour GO – HR et Carambar, l’image obtenue est précise, détaillée, et la corrélation avec les données océanographiques est aisée. L’onde directe présente une faible extension en profondeur, et est supprimée de manière efficace par le filtre SVD, bien que son signal soit moins net et plus fluctuant que celle générée par les canons à air.

Néanmoins, avec un niveau d’émission de 192 dB re 1 μPa @ 1m, la source Sigolo produit un signal nettement moins énergétique que les canons à air des trois acquisitions précédentes. Ainsi, la qualité de l’image stackée apparaît moins bonne que pour Carambar, avec un faible rapport S/B. D’autre part, sur les sections en récepteur commun, les réflecteurs associés à la thermocline sont de très faibles amplitudes, et l’image est difficile à interpréter (Figure 3.36 – b).

Calculé au moyen de l’équation du sonar 2.12, pour les caractéristiques de la thermocline (cf. Tableau 3.4) et les paramètres d’acquisition Sigolo (cf. Tableau 3.2) le niveau à l’hydrophone de la thermocline est de 99 dB, c’est – à – dire du même ordre de grandeur que celui de la base de l’overflow de Carambar (cf. §3.2.3), de coefficient de réflexion similaire mais situé à 111 m de profondeur (cf. Tableau 3.4). D’autre part, l’écart entre le signal de la thermocline Sigolo et le niveau de bruit moyen, de 95 dB re 1 μPa (Figure 3.13) est faible, ce qui corrobore l’observation du faible rapport S/B au niveau des sections triées en récepteur commun. L’acquisition multitrace apparaît donc une nouvelle fois indispensable pour obtenir une image de rapport S/B suffisant pour permettre l’interprétation.

Du fait des offsets relativement grands (Figure 3.11) comparés à la faible profondeur de la thermocline (cf. Tableau 3.4), le dispositif d’acquisition Sigolo se caractérise par de forts angles d’incidence: pour des cibles inférieures à 40 m, les angles dépassent 30° dès les premières traces (Figure 3.12) ; et seules des cibles situées plus profondément que 16 m peuvent être imagées sans une forte distorsion liée à la correction NMO. Lors du traitement, une limite de stretch élargie à 150 % a été utilisée afin de conserver la partie plus superficielle du profil. D’autre part, le contenu fréquentiel de plusieurs centaines de Hz de Sigolo (cf. Tableau 3.2) induit une atténuation par filtre d’antenne importante : pour un angle de 45°, les pertes atteignent ainsi 10 dB à 250 Hz, et à la limite supérieure du spectre (400 Hz), on se trouve dans le lobe d’extinction (Figure 3.34).

En conclusion, les grands offsets, ainsi que les caractéristiques des traces de la flûte SERCEL SEAL HR, inadaptées au travail avec de hautes fréquences, ne sont pas optimaux pour l’étude de la thermocline saisonnière située entre 10 et 40 m : l’acquisition Sigolo a été effectuée dans le cadre d’une étude géologique du sous-sol. Par ailleurs, alors que la résolution verticale de la source semble idéale, son niveau d’émission est trop faible.

3.3. Conclusion : définition d’ordres de grandeur pour les paramètres d’un dispositif