Rapport de sismologie Acquisition et traitement de profils sismiques

Rapport de sismologie
Acquisition et traitement de profils sismiques
Groupe 1
Laurie Bougeois,
Jonathan Mercier,
Pauline Philippe.
Table des matières
Introduction
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1 Acquisition et traitement d’un profil sismique
1
2 Interprétation du profil sismique Mig M1-EOST
7st101 JX
5
3 Replacement dans l’histoire géologique régionale
6
CHAPITRE 1. ACQUISITION ET TRAITEMENT D’UN PROFIL SISMIQUE
1
Introduction
Ce rapport regroupe les observations faites lors du stage réalisé à l’observatoire de Villefranche sur mer dans le cadre de l’UE Méthode d’observation géologique à terre et en mer.
Nous commencerons par décrire le principe des techniques permettant l’acquisition et le
traitement d’un profil de sismique réflexion.
Puis nous nous intéresserons à l’interprétation d’un profil de sismique réflexion Nord-Sud
réalisé à bord du Thétys II en Méditerranée, au large de Villefranche-sur-mer et de Monaco.
Malheureusement, suite à un problème matériel, ce profil n’est pas celui que nous avons
acquis lors du stage de terrain.
Enfin, nous replacerons nos observations dans l’histoire de la marge Nord-Ligure.
1
Acquisition et traitement d’un profil sismique
Le principe
La sismique réflexion est une méthode géophysique permettant d’accéder à la géométrie des
strates géologiques grâce à l’utilisation d’ondes sismiques se réfléchissant sur des réflecteurs.
Une source (canon à air, à eau, camion vibreur...) émet des ondes sismiques qui se propagent dans le sol. Lorsque ces ondes rencontrent une discontinuité en vitesse (changement de
lithologie, de faciès, de strates...), une partie de l’onde est réfléchie et remonte vers la surface,
le reste continue à se propager et peut rencontrer alors d’autres réflecteurs.
En surface, un dispositif d’acquisition permet d’enregistrer le signal qui « remonte »afin de
pouvoir l’interpréter. Ce signal nous donne une idée de la structure souterraine le long d’un
profil, l’échelle verticale n’étant pas une distance mais un temps double (temps allez retour
mis par les ondes pour descendre jusqu’à un réflecteur et en revenir). Cependant, le profil ainsi
acquis souffre de nombreuses altérations (artefacts) et nécessite d’être traité pour pouvoir être
interprété correctement.
Aquisition du signal
La Source : à bord du Thetys II, nous avons utilisé un canon à air de type GI-Gun. Ce
canon possède deux chambres qui se remplissent d’air comprimé (figure 1(b)).
Lorsque la pression est indentique dans les deux chambres (environ 130 Bar), la chambre
inférieure libère l’air ce qui crée une puissante impulsion comprise entre 5 et 80 Hz. Cependant,
en raison de la pression hydrostatique, cette bulle oscille, ce qui perturbe le signal incident.
C’est à ce moment qu’intervient la deuxième chambre : elle libère l’air qu’elle contient 6 millisecondes après la première chambre, ce qui permet de stabiliser la bulle et de se rapprocher
d’un signal impulsionnel, de meilleure qualité pour l’acquisition sismique.
En jouant sur le volume des deux chambres, il est possible d’améliorer la qualité du signal incident (donc la précision du profil) ou d’augmenter son intensité (ce qui augmente
la pénétration, i.e. la profondeur observable, du signal). Dans le cas d’un profil de moyenne
résolution haute pénétration, comme celui que nous avons effectué en Méditerranée, le volume
des deux chambres est identique. D’autre part, le compresseur utilisé pour établir ce profil nous
permettait de tirer un coup de canon toutes les 6 secondes.
Les récepteurs, la flûte : nous avons vu que le signal émis par le canon se réfléchit sur
des miroirs (strates, changement de lithologie...) puis remonte vers la surface. Une fois à proxi-
CHAPITRE 1. ACQUISITION ET TRAITEMENT D’UN PROFIL SISMIQUE
(a) Photo du canon à air
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(b) Schéma du canon à
air
Fig. 1: Schéma et photo du canon à air utilisé sur le Thetyss II : le GI-Gun. (Photo Romain
Bouchet)
mité du bateau, des hydrophones, regroupés en traces, enregistrent ce signal réfléchi afin de
permettre le traitement.
La flûte du Thétys est constituée de 12 traces de 8 mètres comprenant chacune 16 hydrophones et de deux traces de 25 contenant chacune 48 hydrophones. En jouant sur la configuration de la flûte, il est possible de modifier la définition obtenue lors de l’acquisition. Ainsi, pour
obtenir un profil de moyenne résolution et de forte pénétration, il faut regrouper les traces de
8 mètres par 3 ce qui permet d’obtenir 6 traces de 25 mètres. Si nous utilisons uniquement les
12 traces de 8 mètres, le profil obtenu sera de haute résolution et de faible pénétration.
Un des facteurs important lors de l’acquisition du signal est l’ordre de couverture (nombre
de fois qu’un même point miroir est enregistré par la flûte). Plus la couverture est importante,
=
plus le signal final est de bonne qualité (amélioration du rapport signal sur bruit : Signal
Bruit
√
Couverture).
L’ordre de couverture est obtenu de la manière suivante :
C=
N × dT R
2 × dtirs
(1)
Avec N le nombre de traces, dT R la distance entre les traces et dtirs la distance parcourue
par le bateau entre deux tirs successifs.
Dans le cas du profil tiré en Méditerranée (moyenne résolution, haute pénétration), nous
avions N = 6, dT R = 25m et dtirs = 12.5m ce qui correspond à une couverture d’ordre 6.
Traitement du signal
Une fois acquis sous forme analogique grâce à la méthode expliquée précédemment, le signal
est filtré, numérisé puis enregistré sur un disque dur afin de pouvoir être traité puis analysé.
Premier filtrage : après avoir été mesuré par les hydrophones, le signal est filtré une
première fois afin d’éliminer une partie des bruits parasites. On distingue alors deux types
CHAPITRE 1. ACQUISITION ET TRAITEMENT D’UN PROFIL SISMIQUE
3
différents de filtrages : un filtrage en fréquence et un filtrage en domaine. Le premier, en sortie de la flûte, est un filtrage en fréquence qui permet d’éliminer du signal les fréquences ne
pouvant pas avoir été émises par le canon (50 Hz du courant, bruit des moteurs, de la faune
marine...).
La numérisation : les hydrophones enregistrent l’onde réfléchie sous forme analogique. Pour
en faciliter le traitement et le stockage, le signal doit être numérisé. La numérisation consiste
à discrétiser le signal continu en un nombre fini de points. Il est donc nécessaire de choisir un
pas d’échantillonnage adapté. Un pas trop grand entraı̂nerait une perte de données, un pas
trop petit multiplierait de manière inutile le nombre de données et donc le volume à traiter.
On considère généralement que la fréquence du pas d’échantillonnage doit être au moins deux
fois supérieure à la plus haute fréquence enregistrée sur le signal analogique. Dans la cas d’un
signal bruité, on peut même aller jusqu’à une fréquence quatre fois plus élevée.
Une fois enregistré, le signal numérique est traité grâce à la suite de logiciels SU (« seismic
unix ») développée par la Colorado School of Mines.
La déconvolution, redressement des hyperboles : la déconvolution consiste à replaquer
le signal émit par le canon sur le signal acquis afin d’en extraire une partie du bruit. On cherche
donc à transformer un signal complexe en une succession de signaux impulsionels.
Nous avons T (t) = G(t) × {S(t)∗ r(t)} + B(t) avec T (t) la trace enregistrée par la flûte, G(t)
la perte d’énergie du signal dûe à la profondeur, B(t) le bruit, r(t) le signal du canon et S(t)
le signal que l’on cherche à extraire.
La déconvolution permet également de redresser les hyperboles de diffraction et de diminuer le nombre de multiples. En effet, lorsqu’un réflecteur s’interrompt brutalement ou lorsqu’il
forme un angle vif (point brillant), on observe l’apparition d’hyperboles de diffraction perturbant l’analyse du profil (figure 2(a)). Les mêmes phénomènes sont observables lorsque nous
avons une cuvette sur le miroir (figure 2(b)).
A partir d’un modèle de vitesse théorique, on peut redresser les hyperboles en effectuant une
migration grâce à une déconvolution. Cela consiste à re-focaliser l’énergie sur le point miroir
responsable de la diffraction ce qui permet de supprimer les hyperboles en les concentrant à
leurs sommets par rétropropagation des champs.
Triage par points miroir : nous l’avons vu dans le chapitre 1, en raison de la couverture
multiple, chaque point miroir est enregistré six fois par six traces différentes.
Par exemple, considérons des flûtes de 25 mètres et une avancée du bateau de 12.5 mètres
entre deux tirs. Ainsi, un point à la verticale de la trace numéro 1 lors du premier tir sera vu de
la même manière par la trace n˚2 lors du tir n˚3, par la trace n˚3 lors du tir n˚5 ...etc. (chaque
point miroir sera alors représenté par un nombre de traces égales à la couverture).
Il est donc important de regrouper les traces en fonction du point miroir qu’elles représentent.
Stack : une fois les traces regroupées par point multiple, il faut corriger le décalage qu’elles
ont entre elles en raison des différences d’éloignement par rapport à la source. Une fois cet
écart corrigé, nous pouvons sommer les six traces afin d’améliorer le rapport signal sur bruit.
Correction de la perte d’énergie en fonction de la profondeur : au fur et à mesure
des réflexions, le signal incident perd de l’énergie. Les réflecteurs les plus profonds apparaissent
donc de manière moins nette. En jouant sur les gains, il est possible de faire ressortir ses
CHAPITRE 1. ACQUISITION ET TRAITEMENT D’UN PROFIL SISMIQUE
(a) Hyperbole de diffraction :
point brillant et interruption
de réflecteur
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(b) Hyperbole de diffraction due à une cuvette
Fig. 2: Schéma expliquant la formation des hyperboles de diffraction. (Source : Poly de l’Université Pierre et Marie Curie)
réflecteurs en maintenant artificiellement l’énergie du signal incident à un niveau constant
(utilisation de l’AGC : Automatic Gain Control). Cependant, il faut faire attention lors de
l’utilisation de cette méthode car elle augmente de la même manière le signal et le bruit.
Autres traitements possibles : il est possible d’effectuer d’autres traitements afin d’améliorer
la qualité et la définition d’un profil sismique. On peut citer par exemple le filtrage en domaine
(non réalisé lors du stage). Il est également possible de « découper »la mer afin que le profil
soit plus facile à lire.
Si les vitesses de propagation des ondes sismiques sont connues dans les sédiments (elles
peuvent être déterminées par la sismique réfraction ou suite à un forage), il est possible de
faire « migrer »le profil afin que l’échelle verticale soit une échelle en profondeur et non plus
en temps double.
CHAPITRE 2. INTERPRÉTATION DU PROFIL SISMIQUE MIG M1-EOST
7ST101 JX
2 Interprétation du profil sismique Mig M1-EOST
7st101 JX
5
Lors de l’étude de ce profil sismique, nous commencerons par nous intéresser à la partie
Nord, caractérisée par une pente plus importante, puis nous étudierons la partie Sud, plus
plane, dans laquelle passe le chenal du Var.
La partie Nord
La partie Nord correspond à la Marge Nord-Ligure ; elle s’étend entre 200 et 2100 mètres
de profondeur sur une distance d’environ 19 km. Elle est marquée par une nette discordance
entre deux familles de réflecteurs.
En bas de notre pente, un bloc semble séparé du reste de la marge par un « trou », ce qui
s’explique par le fait que l’on croise un affluent du chenal principal du Var.
Les réflecteurs de la famille inférieure sont continus et ressortent assez nettement sur le
profil ; ils sont séparés de 20 ms temps double. Ils dessinent un grand synclinal (en vert sur le
profil) que l’on voit en tranche sur environ 4,7 km et que l’on peut suivre sur une profondeur
correspondant à 500 ms temps double. Il est possible de voir une faille verticale dans la charnière
de ce pli (perte de la continuité des réflecteurs).
Nous verrons dans le chapitre suivant (3) que ces sédiments sont anté-messiniens.
En pied de pente, nous observons des réflecteurs grossiers discontinus (en violet). Ces
réflecteurs témoignent de dépôts sédimentaires grossiers sur une longueur d’environ 3.7 km
et sur une épaisseur de 250 ms temps double. Ils correspondent à un cône détritique Messinien
dont la signification sera développée dans le chapitre 3.
Les strates du synclinal anté-messinien ont été tronquées par l’érosion lors de la crise
Messinienne (voir chapitre 3) et viennent buter sur la famille de réflecteurs supérieure de la
partie Nord.
Cette famille de réflecteurs présente de fines strates séparées de 10 à 15 ms en temps double
sur une épaisseur d’environ 400 ms temps double. Elles se déposent en onlap sur les séries
anté-messiniennes.
Il est possible d’observer dans les sédiments plio-quaternaires au moins deux slumps (petit
glissement de terrain formant une loupe, en traits noirs discontinus sur le profil).
Ces sédiments sont plio-quaternaires et se sont déposés sur la pente dégagée par l’érosion
lors de la crise Messinienne.
La partie Sud
La partie Sud du profil a, quant à elle, une topographie beaucoup moins marquée. Elle se
situe à une profondeur d’environ 2100 mètres, à l’exception de l’extrême Sud qui remonte de
manière très raide sur plus de 200 mètres de dénivelé.
Dans cette zone, nous pouvons distinguer trois unités sédimentaires. En profondeur, nous
trouvons des réflecteurs assez grossiers, séparés de 20 à 30 ms temps double, que l’on peut
décrire comme des réflecteurs en « code barre »(en rose sur notre profil).
Ce type de réflecteurs caractérise des alternances entre des strates d’évaporites et de pélites
déposées suite à des remises en eaux partielles lors de la crise Messinienne.
CHAPITRE 3. REPLACEMENT DANS L’HISTOIRE GÉOLOGIQUE RÉGIONALE
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Au dessus des réflecteurs en « code barre », nous pouvons voir le lit du Var (en orange)
sur une largeur supérieure à 12 km. Les réflecteurs sont assez fins et continus. Ils sont séparés
d’environ 10 à 15 ms temps double. A certains endroits, il est possible d’observer des paléo
chenaux. L’épaisseur de ces sédiments varie de 300 à 700 ms temps double. C’est à l’extrême
Nord du lit du Var que son épaisseur est la plus importante. Cela peut être expliqué de deux
manières différentes :
– Une faille normale a pu jouer créant une dépression comblée par les sédiments. Cependant,
si cette faille existe, les réflecteurs ne la font pas apparaı̂tre clairement.
– Un paléochenal très important a creusé dans les évaporites supérieures. Cette hypothèse
semble la plus probable dans la mesure où les réflecteurs en « code-barre »semblent venir
buter sur les sédiments du Var.
Comme nous l’avons déjà vu, à l’extrême Sud de notre profil, la topographie remonte
brusquement sur plus de 200 mètres. Il s’agit de la levée du Var, constituée de sédiments fins
déposés par les courants de turbidité. Les réflecteurs y sont continus et séparés par environ 20
ms temps double.
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Replacement dans l’histoire géologique régionale
L’histoire de la Marge Nord-Ligure apparaissant sur ce profil peut être subdivisée en trois
grandes étapes :
1. entre 35 et 15 Ma : Formation du Bassin Ligure, Rifting et Océanisation
2. entre 5,95 et 5,3 Ma : Crise eustatique Messinienne suivie de la crise eustatique Zancléenne
entre 5,3 et 3,6 Ma
3. depuis 3,6 Ma et jusqu’à aujourd’hui on est dans le plioquaternaire
Formation du Bassin Ligure, Rifting et Océanisation (35 – 15 Ma)
Il y a 35 Ma, après l’ouverture de l’océan Téthys, la subduction de la plaque afriquaine sous
la plaque eurasienne commence. Elle est rapidemment suivie de la collision entre les deux continents (collision Apulie-Eurasie puis Afrique-Eurasie). Ces phases compressives entrainent dans
un premier temps la formation d’une chaine de montagnes puis celle de bassins en extension
type bassin d’arrière arc ou post-orogénique.
La formation du bassin d’arrière arc se caractérise ici par l’apparition d’un fossé d’effondrement entre la Corse et le continent. Le bassin d’extension étant plus large au Sud qu’au Nord,
il est possible qu’il y ait eu un début d’océanisation au Sud de ce bassin (on parle de « pseudoocéan »). Il est également intéressant de noter que ce bassin d’extension est dissymétrique : la
marge passive est plus raide côté continent que côté Corse.
Les sédiments ayant subit cette histoire sont les sédiments anté-messiniens et ont été
représenté en vert sur le profil.
Les crises eustatiques Messinienne (5,95 – 5,3 Ma) et Zancléenne
(5,3 – 3,6 Ma)
Il y a un peu moins de 6 Ma, suite à des mouvements tectoniques, les communications
entre la mer Méditerranée et l’océan Atlantique (le détroit de Gibraltar était alors constitué de
plusieurs bras) se ferment progressivement. L’apport d’eau par les fleuves n’étant pas suffisant
pour compenser l’évaporation, le niveau de la mer Méditerranée diminue d’une amplitude de
CHAPITRE 3. REPLACEMENT DANS L’HISTOIRE GÉOLOGIQUE RÉGIONALE
7
l’ordre de 1500 mètres. Ceci dégage alors les marges en amont du bassin profond et les expose
aux phénomènes d’érosion. Cette limite d’érosion est représentée en rouge sur le profil.
La diminution du niveau marin (baisse de l’exutoire) va également entraı̂ner un rééquilibrage
du profil d’équilibre des rivières (figure 3). Ce rééquilibrage est à l’origine de la formation de
canyons (tel que le canyon du Var) et les sédiments érodés lors de la formation de ces canyons
forment des éventails sédimentaires (Nil, Var...). Une partie du cône détritique du Var et les
sédiments dus aux processus gravitaires lorsque les marges étaient émergées sont figurés en
violet sur le profil.
Fig. 3: Schéma explicatif du rééquilibrage des profils d’équilibre. X=distance à la crête,
Z=altitude, H=variation d’altitude de l’exutoire. La zone hachurée entre les deux profils
d’équilibre représente la zone à éroder ou à sédimenter suite à une variation de l’altitude
de l’exutoire.
D’autre part, cette évaporation importante de la Méditerranée entraı̂ne la formation d’épaisses
séries évaporitiques sur les plaines abyssales (on estime que ces séries ont piégé 6% de l’ensemble
des sels océaniques dissous). La crise messinenne a entraı̂né la formation de deux principaux
faciès évaporitiques, ce qui nous permet de différencier deux phases principales. Les évaporites
inférieures, exclusivement salifères, sont les plus anciennes et témoignent d’une diminution progressive et régulière du niveau marin. Puis il y a formation d’évaporites supérieures : il s’agit
d’une alternance entre évaporites salifères et évaporites plus marneuses. Cette alternance est
dûe à des remises en eau partielle, les sels sont alors dissous, ils ne précipitent plus tandis que
les pélites se déposent.
Sur le profil cette alternance entre évaporites et bancs plus marneux est caratérisée par des
réflecteurs en « code-barre », coloriés en rose. On observe également des diapirs de sel (laissés
en blanc sur le profil) qui recoupent les évaporites supérieures. Cela est dû à une remonté des
évaporites inférieures, en raison d’une différence de densité entre les évaporites inférieures et
les évaporites supérieures.
Un forage ayant atteint les évaporites supérieures montre qu’à la fin de la crise messinienne
(- 5,3 Ma) il y a un dépôt brutal d’une série pélagique au dessus des sédiments évaporitiques.
Cela met en évidence une remise en eau brutale à cette époque. En effet, les vallées sont alors
surcreusées et envahies par la mer. En raison du rééquilibrage des profils d’équilibres, le matériel
détritique est piégé dans les rivières avant d’atteindre la marge : il n’y a donc pas d’apport de
sédiments détritiques sur la marge mais uniquement des dépots pélagiques ou détritiques très
fins.
CHAPITRE 3. REPLACEMENT DANS L’HISTOIRE GÉOLOGIQUE RÉGIONALE
8
Cette remise en eau brutale est confirmée par la présence de Gilbert-Deltas pliocènes : des
sédiments se déposent à l’horizontale sur des sédiments inclinés progradant (série en topset
sur des sédiments en foreset). Ce type de figure sédimentaire ne peut s’expliquer que par une
remontée brutale de l’exutoire.
La sédimentation plioquaternaire ( <3,6 Ma)
Au Plioquaternaire, l’étude des traces de fission permet de déterminer qu’il y a accélération
de la dénudation de l’arrière-pays. Cet important apport de sédiments entraı̂ne une reconstruction de la plate-forme dans le golfe du Lyon. Ces sédiments peuvent se déposer de deux
manières différentes :
– Sur la marge (en jaune sur le profil). Ils viennent recouvrir en onlap la discordance
messinienne.
– Dans le delta du Var : les sédiments sont entraı̂nés par le Var et se déposent à la sortie
du canyon de Var (en orange sur le profil).
Sur le profil, nous pouvons voir le lit principal du Var (en orange), emprunté par des courants
de turbidité. Il est possible d’observer des paléochenaux dans les sédiments constituant le lit
du Var. Ces courants de turbidité ont entraı̂né la formation d’une levée sédimentaire : la ride
du Var qui est représentée par la remontée topographique brutale à l’extrême Sud de notre
profil (en marron). Les sédiments les plus fins passent au dessus de cette levée et viennent se
déposer en fins lits de l’autre côté. Ceux-ci forment alors des figures sédimentaires rappelant
des antidunes qui n’ont cependant pas pues être observées sur ce profil (qui est trop court).
Les sédiments déposés sur la pente ne sont pas toujours bien consolidés. Ils peuvent partir
en glissements de terrain (ou « slumps »). Nous avons observé deux « slumps »sur notre profil
figurés en pointillés noirs.
Lorsqu’un « slumps »est trop important ou déstabilisé par un tremblement de terre, il peut
partir en avalanche comme en 1979, ce qui entraine la formation de courant de turbidité. Le
trajet de ce courant de turbidité a pu être suivi et sa vitesse calculée car il a coupé des câbles
de téléphone.
Cela montre que le canyon du Var est encore actif actuellement.