La prospection sismique

La sismique réflexion est une méthode de prospection qui permet de restituer, à partir de la réflexion des ondes acoustiques la géométrie en profondeur des strates sédimentaires. Le phénomène est basé sur un brusque ébranlement et déplacement des particules du sous-sol à partir de l émission d ondes acoustiques dans la tranche d eau par le biais d une source. Les ondes traversent la colonne d eau jusqu à l interface eau-sédiment où une partie est réfléchie puis enregistrée et une seconde partie réfractée selon le principe de Snell-Descartes. Cette dernière poursuivra sa course dans le sous-sol jusqu à ce qu elle rencontre une surface séparant deux milieux d impédances différentes produit de la vitesse des ondes par la masse volumique). L onde se divise une fois de plus en deux parties. La première est réfléchie puis enregistrée, la seconde, réfractée continuera son trajet à travers la couche sédimentaire. Le phénomène se répète jusqu à l atténuation du signal. Les ondes réfléchies sont enregistrées en surface par un dispositif tractée (« la flûte ou « streamer » formée d une succession d hydrophones convertissant les signaux réfléchis en signaux électriques. Le spectre de fréquences des ondes sismiques émises détermine le pouvoir de résolution de la méthode de sismique-réflexion utilisée. L'épaisseur minimale d'une couche, dont on peut distinguer séparément le toit et le mur, est la limite de résolution verticale. Elle est considérée comme équivalente au rapport longueur donde/4 (Sheriff, 1977). Par résolution latérale, on entend la possibilité de séparer latéralement deux points voisins du sous-sol. La mesure de cette résolution est déterminée par l extension de l intersection du front d onde avec les interfaces rencontrées qui détermine la zone de Fresnel Sheriff, . Elle varie avec la durée de propagation des ondes émises, la fréquence du signal sismique et la célérité des ondes.

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Le pouvoir de résolution de la sismique sera ainsi d autant plus élevé que la fréquence du signal sera forte et à l inverse, la pénétration sera moins importante en raison de l atténuation rapide des ondes de hautes fréquences (Figure 51). Pour répondre aux besoins d une étude stratigraphique détaillée réalisée par faible tranche d eau au cours de mes travaux, le choix des outils sismiques utilisés a porté sur des sources de fréquences élevées. Par conséquent, deux types de sismique ont été utilisés : la sismique haute-résolution (Sparker) et très haute-résolution (Chirp) (Figure 52).

 La sismique haute résolution Sparker (monotrace)

Ce système aussi appelé étinceleur doit son nom à sa source électrique qui permet la création de l onde acoustique (Figure 51) à partir d étincelles créées à l extrémité d une série d électrodes montées sur un dispositif en « peigne » et tracté à l arrière du navire. Ces étincelles sont créées à partir de la formation d un arc électrique entre un couple cathode/anode et la conductivité de l eau de mer. Elles provoquent l'ionisation de l'eau de mer qui génère par vaporisation des bulles. Celles-ci s'unissent produisant une impulsion positive de pression créant l onde acoustique incidente (Edelmann, 1968 ; Cassand et al, 1970).

La résolution verticale théorique, d une centaine de mètres, peut atteindre 1 mètre dans les parties superficielles avec une résolution horizontale de 6 mètres (Sheriff, 1977). L alimentation des électrodes et le signal électrique incident est créée par une unité de puissance formée d une succession de condensateurs se chargeant et se déchargeant à la cadence de tir déterminée et délivrant un signal électrique haute-tension (4 kV) dont la puissance est variable. Celle-ci est proportionnelle à la pénétration souhaitée du signal sismique et modulable selon les objectifs fixés. Pour les petits fonds < m qui concernent essentiellement l étude, une unité de puissance de à 160J (modèle Energos, entreprise SIG) répond aux besoins et nécessite une puissance d alimentation électrique modérée (< 4 kVA)à bord du navire support. Le signal sismique émis avec le dispositif utilisé présente une fréquence centrale moyenne autour d kHz. Le signal est enregistré à l aide d hydrophones, disposés à égale distance (50cm) dans une flûte courte (8m, type SIG) constituant un signal monotrace en réception. La flûte se compose d un tube synthétique rempli d huile végétale permettant une flottabilité nulle du système et l atténuation des bruits au sein des hydrophones. Les capteurs piézo-électriques en céramique convertissent l onde acoustique réfléchie en un signal électrique rehaussé par un préamplificateur disposé en tête de flûte. L ensemble du système source-réception est tracté à l arrière du navire, positionné par GPS et relié à une station d acquisition de type DELPH permettant le pilotage de la cadence de tir et la réception des signaux.

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Figure 51: (a) Les différents types de sismique corrélés avec la fréquence (Hz) et la pénétration (profondeur en km), la résolution verticale maximale est donnée en grise (b) Schéma d'acquisition de la sismique réflexion de type "sparker" haute résolution et

a a t isti ues d’a uisitio lo s de la a pag e SERABEQ leg 2).

Le Logiciel DELPH Interpretation (IxBlue) est utilisé pour paramétrer les opérations. Les profils ont été acquis via le logiciel Delph acquisition© développé par IX Blue©. Ce logiciel permet à la fois d effectuer une correction du positionnement des profils dans l espace mais également de convertir les données en fichier brut de type .SEGY. Les profils sont repositionnés verticalement à partir de la courbe sinusoïdale de la marée du jour d acquisition renseignée par l utilisateur. La correction horizontale s effectue à partir des longueurs appliquées à la géométrie du schéma d acquisition (positionnement du GPS et de la flûte par rapport au point central du navire) rentrées dans le logiciel.

 La sismique très haute résolution Chirp (ou sondeur de sédiments)

Le sondeur de sédiment (CHIRP) (Grant et Schreber, 1990) est un type de sondeur acoustique. Son principe repose sur la transformation d un champ électrique en une contrainte mécanique proportionnelle à la force de champs électrique appliquée. La transformation du signal s effectue parle biais d un matériel piezo-électrique où les parties émettrices et réceptrices sont confondues. Il s agit de deux lamelles d aluminium entourant une piézo-céramique et connectées à un générateur de courant alternatif. Le son est émis par vibration de la pastille générée par le courant qui, variant dans le temps, permet de créer des ondes de fréquences différentes.

L intervalle de fréquence est compris entre 1.5 kHz et 3.5 kHz, la résolution de ce système est donc plus élevée que celui présenté précédemment (Sparker). Ce système offre donc, dans les conditions optimums (parties superficielles et sédiments fins), une résolution horizontale d une dizaine de centimètres (30cm) et horizontale de 1 ou 2 mètres. Comme le montre la Figure 52, le système chirp permet d améliorer la résolution horizontale et d observer avec plus de précisions la géométrie interne des dépôts sédimentaires. En contre-partie, la pénétration est moins importante que le système haute fréquence sparker.

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Figure 52: (a) Les différents types de sismiques corrélés avec la fréquence (Hz) et la pénétration (profondeur en km) (b) Exemple de profil chirp (SERABEQ2) (c) Exemple de profil sparker sur la même zone (SERABEQ1).

 Traitement et principes d’interprétation des profils sismiques

Les traitements et logiciels, utilisés pour l acquisition des profils, différent en fonction du type de sismique. Concernant la sismique Sparker, le traitement des images .SEGY s effectue via le logiciel Delph interpretation©. Cette chaine de traitement est divisée en cinq étapes. La première consiste à appliquer un filtre (TVF) constitué de deux bandes dont l une est plus restrictive dans les basses fréquences et l autre dans les hautes. La seconde étape permet de compenser la perte d énergie avec la profondeur par l intermédiaire d un gain linéaire (TVG). La troisième supprime le rebond acoustique du réflecteur fond grâce à l extraction du signal (Déconvolution de la signature). La quatrième étape consiste à enlever les effets de la houle par lissage du réflecteur du fond de l eau appliqué sur l ensemble des réflecteurs du profil. Enfin, la dernière permet de supprimer l ensemble des valeurs d amplitude (bruit) contenues entre la surface et le fond de la mer.

Les données Chirp sont acquises et contrôlées grâce aux logiciels SUBOP©et QC_SUBOP développés par IFREMER. Les profils sismiques bruts sont convertis en format SEGY puis sont soumis à un ensemble de traitements appliqués en routine. Cette séquence de traitement comprend une lecture des données SEGY, une correction de la divergence sphérique, l application d un gain linéaire à partir du fond de l eau, la conversion (endB) de l enveloppe du signal, la compensation des mouvements de pilonnement et enfin l application si besoin des délais d enregistrement. Une fois les données géoréférencées et le signal acoustique traité, les profils (.SEGY) peuvent être interprétés à partir du logiciel Kingdom Suite©. L interprétation des profils se base sur les principes généraux de la stratigraphie sismique (Mitchum et al., 1977) (cf chapitre I). Une unité sismique se distingue tout d abord par sa forme externe puis par la configuration et terminaison des réflecteurs internes. Ainsi, leurs géométries et caractéristiques (continuité, amplitude, fréquence, …) permettent d identifier des

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faciès sismiques qui sont corrélables aux environnements de dépôt. Il s agit également de distinguer les grandes discordances séparant les différentes unités sismiques.

Le logiciel KingdomSuite© permet de localiser les profils sur une carte géoréférencée et de les visualiser ainsi que d y associer le log des carottes sédimentaires. Il possède des outils d interprétation permettant de pointer des horizons sur les principales discontinuités et de conforter ces interprétations (vérification des croisements). Une fois les discontinuités pointées il est possible de créer des cartes de profondeur ou d épaisseur (iso pâques) dont l interpolation dépend de l algorithme choisit et de la résolution de l échantillonnage. Dans le cas de la thèse, le jeu de donnée étant conséquent, des grilles (d épaisseur et de profondeur) ont été créées à partir de l interpolation « Flexgridding» à une résolution de 30m. Les grilles sont ensuite converties du temps double seconde en mètres grâce à l outil « mathématiques ». Afin d obtenir une conversion homogène, la vitesse choisie est celle des sédiments non consolidés principalement grossiers: 1 800 m/s. L interprétation des profils sismiques permet d obtenir à terme des paléo-bathymétries associées au toit du socle et chaque surface de discordance.

III.2.2

Les données sédimentaires

Bien que les outils géophysiques permettent dimager le fond des océans et la géométrie des strates sédimentaires avec une très grande précision, il est nécessaire d y apporter une vérité terrain par le prélèvement de sédiments. L objet de ce sous-chapitre est de décrire les méthodes de prélèvements sédimentaires et d expliquer les techniques d analyses en laboratoire.