Les sismiques : des outils essentiels pour l'tude des structures ocaniques

Les sismiques : des outils essentiels pour l'tude des structures ocaniques- Herv Nouz (DRO/GM) et Pierre Chauchot (DITI) -Geosciences Marine, Vol: 21, pp: 25-29, nov 1999 Sismique rflection et rfraction : introduction Aperu historique : des dveloppements trs lis l'activit ptrolire Les sismiques : des outils essentiels l'tude des structures ocaniques Vers une sismique haute rsolution par grande profondeur d'eau

Sismique rflection et rfraction : introduction

La sismique est une technique de mesure indirecte qui consiste enregistrer en surface des chos issus de la propagation dans le sous-sol d'une onde sismique provoque. Ces chos sont gnrs par les htrognits du sous-sol. Le passage par exemple d'une couche d'argile une couche de sable dans une colonne sdimentaire va se traduire par la prsence d'un rflecteur sur les enregistrements. Selon le mode de propagation de l'onde : rflchie sur, ou transmise le long de cette interface, on parle de sismique rflexion ou de sismique rfraction (figure 1).

Le temps d'arrive de l'cho permet de situer la position de cette transition dans l'espace ; l'amplitude de l'cho apporte des informations sur certains paramtres physiques des milieux en contact.

En rsum, les tudes sismiques fournissent une image de la structure du sous-sol (figure 2), et dans certains cas des informations sur sa nature.

La sismique est donc employe par une large gamme de scientifiques et d'industriels : gotechniciens, pour l'implantation d'ouvrages ou la ralisation d'tudes d'impact ; gologues et gophysiciens, pour des travaux qui vont de la dfinition de la structure profonde de la lithosphre jusqu' celle des dpts sdimentaires actuels. Toutefois, c'est dans le domaine ptrolier que se ralisent la quasi-totalit (environ 95 %) des dpenses relatives aux tudes sismiques.

Aperu historique : des dveloppements trs lis l'activit ptrolire

La premire prospection sismique terrestre digne de ce nom fut ralise par l'allemand Mintrop et date du dbut des annes 20. Le gisement ptrolier d'Orchard Salt Dome au Texas fut dcouvert par la mthode sismique-rfraction en 1924. Principalement parce que l'ide de ptrole off-shore faisait sourire, il faut attendre la fin des annes 30 pour voir la ralisation de campagnes de sismique marine, au large du New-Jersey, et dans la Manche. Les premiers systmes d'acquisition de donnes sismique marine sont constitus d'un ou quelques hydrophones attachs un cble, et des explosifs employs en guise de source. A partir des annes 60, l'essor du ptrole offshore conjugu celui de l'informatique font voluer rapidement les techniques d'acquisition, les mthodes et la capacit de traitement des donnes : les navires des contracteurs gophysiques tractent maintenant jusqu' 12 fltes sismiques parallles (ensemble d'hydrophones protgs l'intrieur d'une gaine) de 6 8 km de longueur et qui totalisent plusieurs milliers de traces (ou points de mesure) (figure 3). Ils mettent en oeuvre des ensembles de canons air qui mettent une onde de pression des cadences leves (de l'ordre de 5 secondes) : une surpression est cre par injection d'une bulle d'air dans l'eau. Le cot lev de ces technologies qui permettent de dresser des cartes en 3-dimensions du sous-sol, avec une rsolution de l'ordre de la dizaine de mtres et dfinissent ainsi prcisment les objectifs ptroliers, est largement compens par la diminution du nombre de forages de prospection et par l'augmentation considrable de leur taux de succs.

Les sismiques : des outils essentiels l'tude des structures ocaniques

Les objets tudis par les gologues marins vont de la structure profonde de la crote terrestre (paisseur de l'ordre de la centaine de km) aux dpts sdimentaires quaternaires (paisseur mtrique ou dcimtrique), (figure 4). De mme, les gologues ptroliers ont des objectifs recouverts par des milliers de mtres de sdiments alors que, pour l'implantation d'une plate-forme en mer, les gotechniciens vont s'intresser aux quelques premires dizaines de mtres. En raison de cette diversit dans les chelles de travail, on parle volontiers "des" sismiques. Il sagit cependant dune seule et mme mthode. Seuls diffrent la longueur des fltes et le type de source employs. En effet, plus la frquence de la source est leve (figure 5), meilleure est la rsolution, c'est dire la taille des objets visibles par un systme d'acquisition sismique donn. En contrepartie, en raison de l'attnuation rapide des hautes frquences dans le sous-sol, la profondeur d'investigation diminue rapidement en fonction de la frquence centrale de la source utilise.

A l'chelle du mtre, la sismique trs haute rsolution (THR) permet par exemple aux gologues l'tude des mcanismes de dpt des sdiments et leurs relations avec l'eustatisme. Grce elle, les mesures gotechniques ponctuelles effectues partir d'un forage peuvent tre extrapoles autour du forage et permettre l'tude de l'implantation d'un ouvrage d'art. Lun des objectifs du projet europen VHR3D, dont lIfremer est leader, est de mettre au point un systme d'acquisition de donnes de sismique THR en trois dimensions en vue dobtenir une image trs prcise dune zone limite, de lordre du km2A une chelle suprieure (figure 4), les application de la sismique haute rsolution (HR) vont de l'tude de gisement d'hydrocarbures la dfinition fine des failles actives dans les zones sismiques, en passant par des reconnaissances de sites en vue de dterminer les risques de "shallow gas", particulirement dangereux lors de forages.

A plus grande chelle encore (figure 4), celle des marges continentales, la sismique rflection dite conventionnelle, couple des campagnes de sismique rfraction fait avancer la connaissance de la lithosphre. Ces deux techniques sont complmentaires : la sismique rflection permet de dfinir avec prcision la structure "superficielle" (on considre qu'il est possible d'avoir une bonne prcision sur le champs de vitesses dans le milieu travers jusqu' des profondeurs d'environ une fois et demie la longueur de la flte utilise, d'o tout l'intrt des fltes longues), et les mthodes de rfraction compltent cette connaissance par des informations sur les rflecteurs plus profonds.

Quelque soit lchelle enfin, laccroissement de la puissance de calcul des ordinateurs qui permet le dveloppement de mthodes nouvelles de traitement des donnes sismiques (intgrant par exemple une modlisation de la propagation des ondes dans des milieux complexes) est un moteur important des progrs raliss dans le domaine de la connaissance des structures ocaniques. Il devient possible, aussi bien pour des donnes THR, HR, ou de sismique conventionnelle daccder certains paramtres physiques des milieux traverss : vitesses des ondes sismiques bien sr, mais aussi caractristiques rhologiques. Dans certains cas favorables, la sismique se rvle donc une mthode de dtection directe des hydrocarbures.

Vers une sismique haute rsolution par grande profondeur d'eau

L'intrt croissant du monde ptrolier pour l'offshore profond entrane l'volution des techniques sismiques, notamment vers l'amlioration des techniques haute rsolution par grande profondeur d'eau. C'est ainsi que l'Ifremer, dans le cadre du projet Zaango, a adapt ses moyens de sismique conventionnelle afin de les rendre compatibles avec le besoin exprim de disposer de donnes haute rsolution par 5000 m de profondeur. Ceci passe par un contrle renforc de l'immersion de la flte et la mise en oeuvre de sources jusqu'alors rserves aux tudes sur le plateau.

Il existe toutefois des limites thoriques la rsolution possible par grand fond, avec la mise en oeuvre d'un dispositif de surface. Ces limites peuvent tre recules si l'on place une partie du dispositif d'acquisition prs du fond, comme avec le systme Pasisar, flte sismique tracte 100 mtres au dessus du fond par le SAR (Sonar Acoustique Remorqu) et source en surface (figure 7), ou encore si l'on utilise un systme complet tract prs du fond. Un tel systme est en cours de dveloppement grce la mise au point d'une flte numrique et d'une source "Chirp" ( modulation de frquence).