Les sismiques : des outils essentiels pour l'étude des structures océaniques

Sismique réflection et réfraction : introduction

La sismique est une technique de mesure indirecte qui consiste à enregistrer en surface des échos issus de la propagation dans le sous-sol d'une onde sismique provoquée.

Ces échos sont générés par les hétérogénéités du sous-sol. Le passage par exemple d'une couche d'argile à une couche de sable dans une colonne sédimentaire va se traduire par la présence d'un réflecteur sur les enregistrements. Selon le mode de propagation de l'onde, réfléchie sur ou transmise le long de cette interface, on parle de sismique réflexion ou de sismique réfraction (figure 1).

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

En résumé, les études 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 employée par une large gamme de scientifiques et d'industriels :

  • géotechniciens, pour l'implantation d'ouvrages ou la réalisation d'études d'impact ;
  • géologues et géophysiciens, pour des travaux qui vont de la définition de la structure profonde de la lithosphère jusqu'à celle des dépôts sédimentaires actuels.

Toutefois, c'est dans le domaine pétrolier que se réalisent la quasi-totalité (environ 95 %) des dépenses relatives aux études sismiques.

Aperçu historique : des développements très liés à l'activité pétrolière

La première prospection sismique terrestre digne de ce nom fut réalisée par l'allemand Mintrop et date du début des années 20. Le gisement pétrolier d'Orchard Salt Dome au Texas fut découvert par la méthode sismique-réfraction en 1924. Principalement parce que l'idée de pétrole off-shore faisait sourire, il faut attendre la fin des années 30 pour voir la réalisation de campagnes de sismique marine, au large du New-Jersey, et dans la Manche. Les premiers systèmes d'acquisition de données sismique marine sont constitués d'un ou quelques hydrophones attachés à un câble, et des explosifs employés en guise de source. A partir des années 60, l'essor du pétrole offshore conjugué à celui de l'informatique font évoluer rapidement les techniques d'acquisition, les méthodes et la capacité de traitement des données : les navires des contracteurs géophysiques tractent maintenant jusqu'à 12 flûtes sismiques parallèles (ensemble d'hydrophones protégés à l'intérieur d'une gaine) de 6 à 8 km de longueur et qui totalisent plusieurs milliers de traces (ou points de mesure) (figure 3). Ils mettent en œuvre des ensembles de canons à air qui émettent une onde de pression à des cadences élevées (de l'ordre de 5 secondes) : une surpression est créée par injection d'une bulle d'air dans l'eau. Le coût élevé de ces technologies qui permettent de dresser des cartes en 3-dimensions du sous-sol, avec une résolution de l'ordre de la dizaine de mètres et définissent ainsi précisément les objectifs pétroliers, est largement compensé par la diminution du nombre de forages de prospection et par l'augmentation considérable de leur taux de succès.

¨Les sismiques¨ : des outils essentiels à l'étude des structures océaniques

Les objets étudiés par les géologues marins vont de la structure profonde de la croûte terrestre (épaisseur de l'ordre de la centaine de km) aux dépôts sédimentaires quaternaires (épaisseur métrique ou décimétrique), (figure 4). De même, les géologues pétroliers ont des objectifs recouverts par des milliers de mètres de sédiments alors que, pour l'implantation d'une plate-forme en mer, les géotechniciens vont s'intéresser aux quelques premières dizaines de mètres. En raison de cette diversité dans les échelles de travail, on parle volontiers "des" sismiques. Il s’agit cependant d’une seule et même méthode. Seuls diffèrent la longueur des flûtes et le type de source employés. En effet, plus la fréquence de la source est élevée (figure 5), meilleure est la résolution, c'est à dire la taille des objets visibles par un système d'acquisition sismique donné. En contrepartie, en raison de l'atténuation rapide des hautes fréquences dans le sous-sol, la profondeur d'investigation diminue rapidement en fonction de la fréquence centrale de la source utilisée.

A l'échelle du mètre, la sismique très haute résolution (THR) permet par exemple aux géologues l'étude des mécanismes de dépôt des sédiments et leurs relations avec l'eustatisme. Grâce à elle, les mesures géotechniques ponctuelles effectuées à partir d'un forage peuvent être extrapolées autour du forage et permettre l'étude de l'implantation d'un ouvrage d'art. L’un des objectifs du projet européen VHR3D, dont l’Ifremer est leader, est de mettre au point un système d'acquisition de données de sismique THR en trois dimensions en vue d’obtenir une image très précise d’une zone limitée, de l’ordre du km2

A une échelle supérieure (figure 4), les application de la sismique haute résolution (HR) vont de l'étude de gisement d'hydrocarbures à la définition fine des failles actives dans les zones sismiques, en passant par des reconnaissances de sites en vue de déterminer les risques de "shallow gas", particulièrement dangereux lors de forages.

A plus grande échelle encore (figure 4), celle des marges continentales, la sismique réflexion dite conventionnelle, couplée à des campagnes de sismique réfraction fait avancer la connaissance de la lithosphère. Ces deux techniques sont complémentaires : la sismique réflexion permet de définir avec précision la structure "superficielle" (on considère qu'il est possible d'avoir une bonne précision sur le champs de vitesses dans le milieu traversé jusqu'à des profondeurs d'environ une fois et demie la longueur de la flûte utilisée, d'où tout l'intérêt des flûtes longues), et les méthodes de réfraction complètent cette connaissance par des informations sur les réflecteurs plus profonds.

Quelque soit l’échelle enfin, l’accroissement de la puissance de calcul des ordinateurs qui permet le développement de méthodes nouvelles de traitement des données sismiques (intégrant par exemple une modélisation de la propagation des ondes dans des milieux complexes) est un moteur important des progrès réalisés dans le domaine de la connaissance des structures océaniques. Il devient possible, aussi bien pour des données THR, HR, ou de sismique conventionnelle d’accéder à certains paramètres physiques des milieux traversés : vitesses des ondes sismiques bien sûr, mais aussi caractéristiques rhéologiques. Dans certains cas favorables, la sismique se révèle donc une méthode de détection directe des hydrocarbures.

Vers une sismique haute résolution par grande profondeur d'eau

L'intérêt croissant du monde pétrolier pour l'offshore profond entraîne l'évolution des techniques sismiques, notamment vers l'amélioration des techniques haute résolution par grande profondeur d'eau. C'est ainsi que l'Ifremer, dans le cadre du projet Zaïango, a adapté ses moyens de sismique conventionnelle afin de les rendre compatibles avec le besoin exprimé de disposer de données haute résolution par 5000 m de profondeur. Ceci passe par un contrôle renforcé de l'immersion de la flûte et la mise en œuvre de sources jusqu'alors réservées aux études sur le plateau.

Il existe toutefois des limites théoriques à la résolution possible par grand fond, avec la mise en œuvre d'un dispositif de surface. Ces limites peuvent être reculées si l'on place une partie du dispositif d'acquisition près du fond, comme avec le système Pasisar, flûte sismique tractée à 100 mètres au dessus du fond par le SAR (Sonar Acoustique Remorqué) et source en surface (figure 7), ou encore si l'on utilise un système complet tracté près du fond. Un tel système est en cours de développement grâce à la mise au point d'une flûte numérique et d'une source "Chirp" (à modulation de fréquence).