Rapport de sismologieAcquisition et traitement de profils sismiques

Groupe 1

Laurie Bougeois,Jonathan Mercier,Pauline Philippe.

Table des matieres

Introduction 1

1 Acquisition et traitement d’un profil sismique 1

2 Interpretation du profil sismique Mig M1-EOST7st101 JX 5

3 Replacement dans l’histoire geologique regionale 6

CHAPITRE 1. ACQUISITION ET TRAITEMENT D’UN PROFIL SISMIQUE 1

Introduction

Ce rapport regroupe les observations faites lors du stage realise a l’observatoire de Ville-franche sur mer dans le cadre de l’UE Methode d’observation geologique a terre et en mer.

Nous commencerons par decrire le principe des techniques permettant l’acquisition et letraitement d’un profil de sismique reflexion.

Puis nous nous interesserons a l’interpretation d’un profil de sismique reflexion Nord-Sudrealise a bord du Thetys II en Mediterranee, au large de Villefranche-sur-mer et de Monaco.

Malheureusement, suite a un probleme materiel, ce profil n’est pas celui que nous avonsacquis 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 reflexion est une methode geophysique permettant d’acceder a la geometrie desstrates geologiques grace a l’utilisation d’ondes sismiques se reflechissant sur des reflecteurs.

Une source (canon a air, a eau, camion vibreur...) emet des ondes sismiques qui se pro-pagent dans le sol. Lorsque ces ondes rencontrent une discontinuite en vitesse (changement delithologie, de facies, de strates...), une partie de l’onde est reflechie et remonte vers la surface,le reste continue a se propager et peut rencontrer alors d’autres reflecteurs.

En surface, un dispositif d’acquisition permet d’enregistrer le signal qui « remonte »afin depouvoir l’interpreter. Ce signal nous donne une idee de la structure souterraine le long d’unprofil, l’echelle verticale n’etant pas une distance mais un temps double (temps allez retourmis par les ondes pour descendre jusqu’a un reflecteur et en revenir). Cependant, le profil ainsiacquis souffre de nombreuses alterations (artefacts) et necessite d’etre traite pour pouvoir etreinterprete correctement.

Aquisition du signal

La Source : a bord du Thetys II, nous avons utilise un canon a air de type GI-Gun. Cecanon possede deux chambres qui se remplissent d’air comprime (figure 1(b)).

Lorsque la pression est indentique dans les deux chambres (environ 130 Bar), la chambreinferieure libere l’air ce qui cree 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 a ce moment qu’intervient la deuxieme chambre : elle libere l’air qu’elle contient 6 milli-secondes apres la premiere chambre, ce qui permet de stabiliser la bulle et de se rapprocherd’un signal impulsionnel, de meilleure qualite pour l’acquisition sismique.

En jouant sur le volume des deux chambres, il est possible d’ameliorer la qualite du si-gnal incident (donc la precision du profil) ou d’augmenter son intensite (ce qui augmentela penetration, i.e. la profondeur observable, du signal). Dans le cas d’un profil de moyenneresolution haute penetration, comme celui que nous avons effectue en Mediterranee, le volumedes deux chambres est identique. D’autre part, le compresseur utilise pour etablir ce profil nouspermettait de tirer un coup de canon toutes les 6 secondes.

Les recepteurs, la flute : nous avons vu que le signal emis par le canon se reflechit surdes miroirs (strates, changement de lithologie...) puis remonte vers la surface. Une fois a proxi-

CHAPITRE 1. ACQUISITION ET TRAITEMENT D’UN PROFIL SISMIQUE 2

(a) Photo du canon a air (b) Schema du canon aair

Fig. 1: Schema et photo du canon a air utilise sur le Thetyss II : le GI-Gun. (Photo RomainBouchet)

mite du bateau, des hydrophones, regroupes en traces, enregistrent ce signal reflechi afin depermettre le traitement.

La flute du Thetys est constituee de 12 traces de 8 metres comprenant chacune 16 hydro-phones et de deux traces de 25 contenant chacune 48 hydrophones. En jouant sur la configura-tion de la flute, il est possible de modifier la definition obtenue lors de l’acquisition. Ainsi, pourobtenir un profil de moyenne resolution et de forte penetration, il faut regrouper les traces de8 metres par 3 ce qui permet d’obtenir 6 traces de 25 metres. Si nous utilisons uniquement les12 traces de 8 metres, le profil obtenu sera de haute resolution et de faible penetration.

Un des facteurs important lors de l’acquisition du signal est l’ordre de couverture (nombrede fois qu’un meme point miroir est enregistre par la flute). Plus la couverture est importante,plus le signal final est de bonne qualite (amelioration du rapport signal sur bruit : Signal

Bruit=√

Couverture).L’ordre de couverture est obtenu de la maniere suivante :

C =N × dTR

2× dtirs(1)

Avec N le nombre de traces, dTR la distance entre les traces et dtirs la distance parcouruepar le bateau entre deux tirs successifs.

Dans le cas du profil tire en Mediterranee (moyenne resolution, haute penetration), nousavions N = 6, dTR = 25m et dtirs = 12.5m ce qui correspond a une couverture d’ordre 6.

Traitement du signal

Une fois acquis sous forme analogique grace a la methode expliquee precedemment, le signalest filtre, numerise puis enregistre sur un disque dur afin de pouvoir etre traite puis analyse.

Premier filtrage : apres avoir ete mesure par les hydrophones, le signal est filtre unepremiere fois afin d’eliminer une partie des bruits parasites. On distingue alors deux types

CHAPITRE 1. ACQUISITION ET TRAITEMENT D’UN PROFIL SISMIQUE 3

differents de filtrages : un filtrage en frequence et un filtrage en domaine. Le premier, en sor-tie de la flute, est un filtrage en frequence qui permet d’eliminer du signal les frequences nepouvant pas avoir ete emises par le canon (50 Hz du courant, bruit des moteurs, de la faunemarine...).

La numerisation : les hydrophones enregistrent l’onde reflechie sous forme analogique. Pouren faciliter le traitement et le stockage, le signal doit etre numerise. La numerisation consistea discretiser le signal continu en un nombre fini de points. Il est donc necessaire de choisir unpas d’echantillonnage adapte. Un pas trop grand entraınerait une perte de donnees, un pastrop petit multiplierait de maniere inutile le nombre de donnees et donc le volume a traiter.On considere generalement que la frequence du pas d’echantillonnage doit etre au moins deuxfois superieure a la plus haute frequence enregistree sur le signal analogique. Dans la cas d’unsignal bruite, on peut meme aller jusqu’a une frequence quatre fois plus elevee.

Une fois enregistre, le signal numerique est traite grace a la suite de logiciels SU (« seismicunix ») developpee par la Colorado School of Mines.

La deconvolution, redressement des hyperboles : la deconvolution consiste a replaquerle signal emit par le canon sur le signal acquis afin d’en extraire une partie du bruit. On cherchedonc a 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 enregistree par la flute, G(t)la perte d’energie du signal due a la profondeur, B(t) le bruit, r(t) le signal du canon et S(t)le signal que l’on cherche a extraire.

La deconvolution permet egalement de redresser les hyperboles de diffraction et de dimi-nuer le nombre de multiples. En effet, lorsqu’un reflecteur s’interrompt brutalement ou lorsqu’ilforme un angle vif (point brillant), on observe l’apparition d’hyperboles de diffraction pertur-bant l’analyse du profil (figure 2(a)). Les memes phenomenes sont observables lorsque nousavons une cuvette sur le miroir (figure 2(b)).

A partir d’un modele de vitesse theorique, on peut redresser les hyperboles en effectuant unemigration grace a une deconvolution. Cela consiste a re-focaliser l’energie sur le point miroirresponsable de la diffraction ce qui permet de supprimer les hyperboles en les concentrant aleurs sommets par retropropagation des champs.

Triage par points miroir : nous l’avons vu dans le chapitre 1, en raison de la couverturemultiple, chaque point miroir est enregistre six fois par six traces differentes.

Par exemple, considerons des flutes de 25 metres et une avancee du bateau de 12.5 metresentre deux tirs. Ainsi, un point a la verticale de la trace numero 1 lors du premier tir sera vu dela meme maniere par la trace n 2 lors du tir n 3, par la trace n 3 lors du tir n 5 ...etc. (chaquepoint miroir sera alors represente par un nombre de traces egales a la couverture).

Il est donc important de regrouper les traces en fonction du point miroir qu’elles representent.

Stack : une fois les traces regroupees par point multiple, il faut corriger le decalage qu’ellesont entre elles en raison des differences d’eloignement par rapport a la source. Une fois cetecart corrige, nous pouvons sommer les six traces afin d’ameliorer le rapport signal sur bruit.

Correction de la perte d’energie en fonction de la profondeur : au fur et a mesuredes reflexions, le signal incident perd de l’energie. Les reflecteurs les plus profonds apparaissentdonc de maniere moins nette. En jouant sur les gains, il est possible de faire ressortir ses

CHAPITRE 1. ACQUISITION ET TRAITEMENT D’UN PROFIL SISMIQUE 4

(a) Hyperbole de diffraction :point brillant et interruptionde reflecteur

(b) Hyperbole de diffraction due a une cuvette

Fig. 2: Schema expliquant la formation des hyperboles de diffraction. (Source : Poly de l’Uni-versite Pierre et Marie Curie)

reflecteurs en maintenant artificiellement l’energie du signal incident a un niveau constant(utilisation de l’AGC : Automatic Gain Control). Cependant, il faut faire attention lors del’utilisation de cette methode car elle augmente de la meme maniere le signal et le bruit.

Autres traitements possibles : il est possible d’effectuer d’autres traitements afin d’ameliorerla qualite et la definition d’un profil sismique. On peut citer par exemple le filtrage en domaine(non realise lors du stage). Il est egalement possible de « decouper »la mer afin que le profilsoit plus facile a lire.

Si les vitesses de propagation des ondes sismiques sont connues dans les sediments (ellespeuvent etre determinees par la sismique refraction ou suite a un forage), il est possible defaire « migrer »le profil afin que l’echelle verticale soit une echelle en profondeur et non plusen temps double.

CHAPITRE 2. INTERPRETATION DU PROFIL SISMIQUE MIG M1-EOST7ST101 JX 52 Interpretation du profil sismique Mig M1-EOST

7st101 JX

Lors de l’etude de ce profil sismique, nous commencerons par nous interesser a la partieNord, caracterisee par une pente plus importante, puis nous etudierons la partie Sud, plusplane, dans laquelle passe le chenal du Var.

La partie Nord

La partie Nord correspond a la Marge Nord-Ligure ; elle s’etend entre 200 et 2100 metresde profondeur sur une distance d’environ 19 km. Elle est marquee par une nette discordanceentre deux familles de reflecteurs.

En bas de notre pente, un bloc semble separe du reste de la marge par un « trou », ce quis’explique par le fait que l’on croise un affluent du chenal principal du Var.

Les reflecteurs de la famille inferieure sont continus et ressortent assez nettement sur leprofil ; ils sont separes de 20 ms temps double. Ils dessinent un grand synclinal (en vert sur leprofil) que l’on voit en tranche sur environ 4,7 km et que l’on peut suivre sur une profondeurcorrespondant a 500 ms temps double. Il est possible de voir une faille verticale dans la charnierede ce pli (perte de la continuite des reflecteurs).

Nous verrons dans le chapitre suivant (3) que ces sediments sont ante-messiniens.En pied de pente, nous observons des reflecteurs grossiers discontinus (en violet). Ces

reflecteurs temoignent de depots sedimentaires grossiers sur une longueur d’environ 3.7 kmet sur une epaisseur de 250 ms temps double. Ils correspondent a un cone detritique Messiniendont la signification sera developpee dans le chapitre 3.

Les strates du synclinal ante-messinien ont ete tronquees par l’erosion lors de la criseMessinienne (voir chapitre 3) et viennent buter sur la famille de reflecteurs superieure de lapartie Nord.

Cette famille de reflecteurs presente de fines strates separees de 10 a 15 ms en temps doublesur une epaisseur d’environ 400 ms temps double. Elles se deposent en onlap sur les seriesante-messiniennes.

Il est possible d’observer dans les sediments plio-quaternaires au moins deux slumps (petitglissement de terrain formant une loupe, en traits noirs discontinus sur le profil).

Ces sediments sont plio-quaternaires et se sont deposes sur la pente degagee par l’erosionlors de la crise Messinienne.

La partie Sud

La partie Sud du profil a, quant a elle, une topographie beaucoup moins marquee. Elle sesitue a une profondeur d’environ 2100 metres, a l’exception de l’extreme Sud qui remonte demaniere tres raide sur plus de 200 metres de denivele.

Dans cette zone, nous pouvons distinguer trois unites sedimentaires. En profondeur, noustrouvons des reflecteurs assez grossiers, separes de 20 a 30 ms temps double, que l’on peutdecrire comme des reflecteurs en « code barre »(en rose sur notre profil).

Ce type de reflecteurs caracterise des alternances entre des strates d’evaporites et de pelitesdeposees suite a des remises en eaux partielles lors de la crise Messinienne.

CHAPITRE 3. REPLACEMENT DANS L’HISTOIRE GEOLOGIQUE REGIONALE 6

Au dessus des reflecteurs en « code barre », nous pouvons voir le lit du Var (en orange)sur une largeur superieure a 12 km. Les reflecteurs sont assez fins et continus. Ils sont separesd’environ 10 a 15 ms temps double. A certains endroits, il est possible d’observer des paleochenaux. L’epaisseur de ces sediments varie de 300 a 700 ms temps double. C’est a l’extremeNord du lit du Var que son epaisseur est la plus importante. Cela peut etre explique de deuxmanieres differentes :

– Une faille normale a pu jouer creant une depression comblee par les sediments. Cependant,si cette faille existe, les reflecteurs ne la font pas apparaıtre clairement.

– Un paleochenal tres important a creuse dans les evaporites superieures. Cette hypothesesemble la plus probable dans la mesure ou les reflecteurs en « code-barre »semblent venirbuter sur les sediments du Var.

Comme nous l’avons deja vu, a l’extreme Sud de notre profil, la topographie remontebrusquement sur plus de 200 metres. Il s’agit de la levee du Var, constituee de sediments finsdeposes par les courants de turbidite. Les reflecteurs y sont continus et separes par environ 20ms temps double.

3 Replacement dans l’histoire geologique regionale

L’histoire de la Marge Nord-Ligure apparaissant sur ce profil peut etre subdivisee en troisgrandes etapes :

1. entre 35 et 15 Ma : Formation du Bassin Ligure, Rifting et Oceanisation

2. entre 5,95 et 5,3 Ma : Crise eustatique Messinienne suivie de la crise eustatique Zancleenneentre 5,3 et 3,6 Ma

3. depuis 3,6 Ma et jusqu’a aujourd’hui on est dans le plioquaternaire

Formation du Bassin Ligure, Rifting et Oceanisation (35 – 15 Ma)

Il y a 35 Ma, apres l’ouverture de l’ocean Tethys, la subduction de la plaque afriquaine sousla plaque eurasienne commence. Elle est rapidemment suivie de la collision entre les deux conti-nents (collision Apulie-Eurasie puis Afrique-Eurasie). Ces phases compressives entrainent dansun premier temps la formation d’une chaine de montagnes puis celle de bassins en extensiontype bassin d’arriere arc ou post-orogenique.

La formation du bassin d’arriere arc se caracterise ici par l’apparition d’un fosse d’effondre-ment entre la Corse et le continent. Le bassin d’extension etant plus large au Sud qu’au Nord,il est possible qu’il y ait eu un debut d’oceanisation au Sud de ce bassin (on parle de « pseudo-ocean »). Il est egalement interessant de noter que ce bassin d’extension est dissymetrique : lamarge passive est plus raide cote continent que cote Corse.

Les sediments ayant subit cette histoire sont les sediments ante-messiniens et ont eterepresente en vert sur le profil.

Les crises eustatiques Messinienne (5,95 – 5,3 Ma) et Zancleenne(5,3 – 3,6 Ma)

Il y a un peu moins de 6 Ma, suite a des mouvements tectoniques, les communicationsentre la mer Mediterranee et l’ocean Atlantique (le detroit de Gibraltar etait alors constitue deplusieurs bras) se ferment progressivement. L’apport d’eau par les fleuves n’etant pas suffisantpour compenser l’evaporation, le niveau de la mer Mediterranee diminue d’une amplitude de

CHAPITRE 3. REPLACEMENT DANS L’HISTOIRE GEOLOGIQUE REGIONALE 7

l’ordre de 1500 metres. Ceci degage alors les marges en amont du bassin profond et les exposeaux phenomenes d’erosion. Cette limite d’erosion est representee en rouge sur le profil.

La diminution du niveau marin (baisse de l’exutoire) va egalement entraıner un reequilibragedu profil d’equilibre des rivieres (figure 3). Ce reequilibrage est a l’origine de la formation decanyons (tel que le canyon du Var) et les sediments erodes lors de la formation de ces canyonsforment des eventails sedimentaires (Nil, Var...). Une partie du cone detritique du Var et lessediments dus aux processus gravitaires lorsque les marges etaient emergees sont figures enviolet sur le profil.

Fig. 3: Schema explicatif du reequilibrage des profils d’equilibre. X=distance a la crete,Z=altitude, H=variation d’altitude de l’exutoire. La zone hachuree entre les deux profilsd’equilibre represente la zone a eroder ou a sedimenter suite a une variation de l’altitudede l’exutoire.

D’autre part, cette evaporation importante de la Mediterranee entraıne la formation d’epaissesseries evaporitiques sur les plaines abyssales (on estime que ces series ont piege 6% de l’ensembledes sels oceaniques dissous). La crise messinenne a entraıne la formation de deux principauxfacies evaporitiques, ce qui nous permet de differencier deux phases principales. Les evaporitesinferieures, exclusivement saliferes, sont les plus anciennes et temoignent d’une diminution pro-gressive et reguliere du niveau marin. Puis il y a formation d’evaporites superieures : il s’agitd’une alternance entre evaporites saliferes et evaporites plus marneuses. Cette alternance estdue a des remises en eau partielle, les sels sont alors dissous, ils ne precipitent plus tandis queles pelites se deposent.

Sur le profil cette alternance entre evaporites et bancs plus marneux est caraterisee par desreflecteurs en « code-barre », colories en rose. On observe egalement des diapirs de sel (laissesen blanc sur le profil) qui recoupent les evaporites superieures. Cela est du a une remonte desevaporites inferieures, en raison d’une difference de densite entre les evaporites inferieures etles evaporites superieures.

Un forage ayant atteint les evaporites superieures montre qu’a la fin de la crise messinienne(- 5,3 Ma) il y a un depot brutal d’une serie pelagique au dessus des sediments evaporitiques.Cela met en evidence une remise en eau brutale a cette epoque. En effet, les vallees sont alorssurcreusees et envahies par la mer. En raison du reequilibrage des profils d’equilibres, le materieldetritique est piege dans les rivieres avant d’atteindre la marge : il n’y a donc pas d’apport desediments detritiques sur la marge mais uniquement des depots pelagiques ou detritiques tresfins.

CHAPITRE 3. REPLACEMENT DANS L’HISTOIRE GEOLOGIQUE REGIONALE 8

Cette remise en eau brutale est confirmee par la presence de Gilbert-Deltas pliocenes : dessediments se deposent a l’horizontale sur des sediments inclines progradant (serie en topsetsur des sediments en foreset). Ce type de figure sedimentaire ne peut s’expliquer que par uneremontee brutale de l’exutoire.

La sedimentation plioquaternaire ( <3,6 Ma)

Au Plioquaternaire, l’etude des traces de fission permet de determiner qu’il y a accelerationde la denudation de l’arriere-pays. Cet important apport de sediments entraıne une recons-truction de la plate-forme dans le golfe du Lyon. Ces sediments peuvent se deposer de deuxmanieres differentes :

– Sur la marge (en jaune sur le profil). Ils viennent recouvrir en onlap la discordancemessinienne.

– Dans le delta du Var : les sediments sont entraınes par le Var et se deposent a la sortiedu canyon de Var (en orange sur le profil).

Sur le profil, nous pouvons voir le lit principal du Var (en orange), emprunte par des courantsde turbidite. Il est possible d’observer des paleochenaux dans les sediments constituant le litdu Var. Ces courants de turbidite ont entraıne la formation d’une levee sedimentaire : la ridedu Var qui est representee par la remontee topographique brutale a l’extreme Sud de notreprofil (en marron). Les sediments les plus fins passent au dessus de cette levee et viennent sedeposer en fins lits de l’autre cote. Ceux-ci forment alors des figures sedimentaires rappelantdes antidunes qui n’ont cependant pas pues etre observees sur ce profil (qui est trop court).

Les sediments deposes sur la pente ne sont pas toujours bien consolides. Ils peuvent partiren glissements de terrain (ou « slumps »). Nous avons observe deux « slumps »sur notre profilfigures en pointilles noirs.

Lorsqu’un « slumps »est trop important ou destabilise par un tremblement de terre, il peutpartir en avalanche comme en 1979, ce qui entraine la formation de courant de turbidite. Letrajet de ce courant de turbidite a pu etre suivi et sa vitesse calculee car il a coupe des cablesde telephone.

Cela montre que le canyon du Var est encore actif actuellement.