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Soutenance de thèse en géosciences marines : Helen PIETE

"imagerie sismique et océanographique des masses d'eau sur le plateau continental breton".

Ce travail constitue une étude préliminaire au développement d’un nouvel outil d’observation de la structure physique de la Mer d’Iroise, la sismique réflexion. L’intérêt s’est porté vers cette technique du fait de sa haute résolution latérale (~ 10 m), représentant un potentiel important pour l’étude des variations à fine échelle horizontale de la thermocline saisonnière de la Mer d’Iroise, et de l’évolution rapide de la structure de la colonne d’eau au passage du Front d’Ouessant. Sur le plan technique, ce travail constitue la première application de la sismique réflexion à l’observation de structures océanographiques très peu profondes (z < 50 m), en environnement côtier (z < 200 m). Ainsi, l’objectif principal de cette thèse a été la mise au point d’un dispositif d’acquisition sismique adapté.

Dans un premier temps, une réflexion théorique sur l’acquisition sismique a été menée. L’objectif était de mettre en évidence les différents paramètres influant sur le signal sismique lors de son émission, sa propagation dans la colonne d’eau et sa réception, afin de définir des règles générales de construction d’un dispositif sismique adapté à l’observation d’une cible océanographique superficielle. Une première approche a été d’envisager la problématique centrale de ce travail – comment détecter la thermocline au moyen d’un système de sismique réflexion ? -  du point de vue de l’acoustique sous – marine. L’équation du sonar a été appliquée au cas de la mesure de sismique. Au moyen de l’outil de quantification ainsi défini, l’importance de l’aspect énergétique de l’acquisition sismique a été mis en évidence, avec deux paramètres clé : le niveau d’émission de la source et la sensibilité de l’hydrophone. L’étude théorique de la mesure de sismique a permis de dégager plusieurs problématiques de l’observation sismique de la thermocline saisonnière. 1. Le rapport S/B de l’image sismique est naturellement faible, du fait de trois facteurs : le signal sismique qui se propage dans l’eau subit des pertes par divergence sphérique importantes ; la réflectivité des structures océanographiques est faible comparée à celle d’un milieu géologique ; l’environnement acoustique est bruyant : le dispositif d’acquisition lui – même crée un niveau de bruit significatif. Pour toutes ces raisons, un fort niveau d’émission, une sensibilité d’hydrophone élevée, un système de pré-amplification avec un gain important, ainsi qu’une acquisition multitrace sont apparus indispensables. 2. Du fait de la faible profondeur de la cible, de forts angles d’incidence sont rapidement atteints, et le filtre d’antenne constitue une problématique majeure. Ceci impose l’utilisation de courts offsets, ainsi que de petites traces. 3. La résolution verticale de la source, et donc son contenu fréquentiel, doivent être adaptés à l’échelle verticale de la structure cible (1 m à une dizaine de mètres). Le choix d’une source sismique repose donc sur un compromis entre puissance et résolution.

Le second volet de cette thèse a été consacré à l’évaluation de dispositifs existants, à partir de quatre profils sismiques des campagnes GO – HR et LR, Carambar et Sigolo, qui ont été traités. L’analyse des données a montré que la sismique réflexion est adaptée à l’étude de haute résolution latérale des niveaux les plus superficiels (10 – 150 m) de l’océan. Un traitement post – acquisition est toutefois nécessaire, incluant une sommation pour améliorer le rapport S/B, et un filtre SVD pour éliminer l’onde directe, qui masque les niveaux les plus superficiels de la colonne d’eau. Par ailleurs, les caractéristiques des quatre dispositifs d’acquisition sismique étudiés, qui ont fourni des images de qualité variable de la structure thermohaline superficielle, ont permis de dégager des marqueurs pour la définition des paramètres de la source, du récepteur et de la géométrie d’un système dédié à l’observation de structures superficielles. Ainsi, il apparaît indispensable de travailler avec une source de haute résolution (fréquence centrale > 150 – 250 Hz) afin d’obtenir une image détaillée et précise. De la même manière, un niveau d’émission supérieur à 209 dB re 1 mPa @ 1 m, ainsi qu’une acquisition multitrace sont nécessaires pour assurer un bon rapport S/B. En ce qui concerne la réception, l’étude des différentes données montre que les flûtes employées, de traces longues (6.25 m pour les plus petites) et de distance inter-hydrophone de 0.625 m engendrent un filtre d’antenne trop important aux hautes fréquences préconisées. De la même manière, les grands offsets (> 30 m) des dispositifs sont inadaptés à l’étude de cibles peu profondes. L’analyse des données GO, Carambar et Sigolo a ainsi montré que les dispositifs d’acquisition associés doivent être optimisés pour l’observation de structures superficielles.

En parallèle de cette étude de faisabilité, l’analyse des données Carambar a permis de mettre en évidence un overflow au niveau de la marge ouest de Grand Bahama Bank, dont l’existence jusqu’à présent était soupçonnée mais n’avait jamais été démontrée.

Dans une troisième partie, des données océanographiques nouvelles de la Mer d’Iroise, acquises lors de la campagne FROMVAR 2010 ont été étudiées, et ont permis de caractériser la réflectivité de la thermocline. Le coefficient de réflexion varie entre –70 dB pour une thermocline typique des mois d’été, ce qui correspond à la gamme haute de réflectivité des structures océanographiques, à –85 dB pour une thermocline peu marquée. D’une manière générale, la réflectivité est principalement contrôlée par l’épaisseur de la couche gradient, le contraste de température global joue un rôle moindre. A proximité du Front d’Ouessant, les coefficients de réflexion diminuent, et sont compris entre – 85 et – 90 dB.

La quantification de l’acquisition sismique à partir de ces résultats, et au moyen de l’équation du sonar pour la sismique, a permis d’estimer les niveaux d’émission nécessaires à l’obtention d’un signal d’amplitude suffisamment forte pour une réflexion sur différents types de thermoclines, en considérant un environnement sans bruit. Les niveaux varient entre 198 dB re 1 mPa @ 1 m pour une thermocline typique, à 220 dB re 1 mPa @ 1 m pour une thermocline peu marquée ou en train de se détruire au niveau du Front d’Ouessant. Les marqueurs dégagés à partir des études de cas GO, Carambar et Sigolo, ont permis d’affiner les paramètres du dispositif d’acquisition dédié à la thermocline de l’Iroise. Un système courts – offsets, multi – récepteurs a finalement été proposé, caractérisé par :

-          4 flûtes de 6 traces de 1.80 m ; chaque trace est constituée de 6 hydrophones espacés de 0.3 m.

-          un offset source – récepteur de 8 m.

Le choix de la source s’est porté vers le Sparker SIG, pour des raisons de contenu fréquentiel, de niveau d’émission, et de mise en œuvre. Des tests en bassin ont ainsi montré qu’utilisé avec une puissance de 1000 J, la source fournit une fréquence centrale de 400 Hz ; par ailleurs, les niveaux d’émissions sont supérieurs à 210 dB re 1 mPa @ 1 m.

Ce dispositif expérimental  a été testé et validé au cours de la campagne ASPEX, effectuée en juin 2012. L’acquisition sismique a permis de fournir une image de résolution latérale de 7.5 m de la thermocline saisonnière au large de la Bretagne Sud. Ses variations de fine échelle horizontale ont été cartographiées en détail. Le profil sismique montre ainsi que la thermocline échantillonnée lors de l’acquisition ASPEX se caractérise par des déplacements verticaux de plusieurs mètres d’amplitude, et de longueurs d’onde d’une centaine de mètre à 2 km. Ils sont interprétés comme la signature d’ondes internes.

Sur le plan technique, les tests effectués montrent que le niveau d’émission du Sparker SIG utilisé avec une puissance de 1000 J et immergé à 1 m est adapté pour l’observation d’une thermocline de coefficient de réflexion de –75 dB, mais insuffisant lorsque cette dernière est moins développée, avec une réflectivité de l’ordre de –80 dB.  Par ailleurs, l’immersion du peigne semble jouer un rôle important sur le niveau d’émission. Ces tests confirment ainsi le rôle de facteur limitant du niveau d’émission pour la détection d’une cible, ainsi que la sensibilité de la méthode aux variations d’intensité de la thermocline. Un dispositif comparable a été mis en œuvre lors de la campagne IFOSISMO (septembre 2012), dédiée à l’étude par sismique réflexion du Front d’Ouessant. Malgré une situation océanographique favorable (thermocline bien marquée), de mauvaises conditions météorologiques engendrant un bruit important n’ont pas permis d’imager la thermocline.

En conclusion, ce travail démontre qu’il est possible d’imager les niveaux les plus superficiels de l’océan (z < 50 m) au moyen d’un système d’acquisition sismique courts –offsets, multi - récepteurs et comprenant une source de haute résolution. Plusieurs conditions doivent être respectées : i –la puissance délivrée par la source doit être suffisante compte tenu des caractéristiques acoustiques de l’environnement (réflectivité de la cible, bruit), et sa résolution verticale adaptée à l’échelle verticale des structures ciblées ; ii –une attention particulière doit être accordée au filtre d’antenne et à la couverture multiple lors de la conception du dispositif de réception ; iii – un traitement post-acquisition incluant une sommation des données doit être appliqué. Néanmoins, une limitation de la méthode est sa forte sensibilité à la réflectivité du milieu, ainsi qu’aux conditions de bruit ambiant.

D’autre part, avec l’image détaillée de la thermocline saisonnière et de ses déplacements verticaux obtenue avec un système d’acquisition sismique spécialement défini, ce travail de thèse met en évidence le fort potentiel de la sismique réflexion pour l’observation de cette structure en Mer d’Iroise. De nouvelles perspectives pour l’étude des processus de mélange liés aux ondes internes sur le plateau continental breton sont ouvertes. Ainsi, le dispositif dédié demande à être testé en Mer d’Iroise et au niveau du Front d’Ouessant dans des conditions météorologiques favorables.

Photo du mois

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(C) Pascale Lherminier / Ifremer