Techniques d'étude des fonds marins

Les outils d'acquisitions : Observations, prélèvements et analyses en laboratoire

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La " lithologie " sous-marine est due, selon le professeur Thoulet (1907), aux travaux menés dans les années 1880 par le capitaine de frégate Bonjoux et l'ingénieur des mines Delesse. Le premier inventa le recalage sédimentologique pour la navigation par temps de brume, le second recherchait par l'étude des sédiments actuels la compréhension des phénomènes géologiques. Ces initiateurs ont fondé en France les bases de la sédimentologie marine actuelle. Leurs travaux comprenaient la réalisation de prélèvements, leur analyse en terme de constituants et de dimension des particules, et la réalisation de synthèses synoptiques des résultats obtenus sous forme de cartes. Ces travaux se sont poursuivis avec assez peu d'évolutions techniques jusque dans les années 80 ; tous ces travaux reposent sur trois points : l'analyse des prélèvements, la compréhension de la morphologie et une expertise permettant de délimiter sur des cartes les différents domaines homogènes reconnus.

Le plomb suiffé

Présentation

Les données acquises à l'aide du plomb suiffé sont couramment utilisées pour la réalisation des cartes sédimentologiques, car elles pallient le manque de données récentes. Dans les secteurs affectés par la dynamique sédimentaire, elles ne peuvent servir pour la cartographie mais aident à la reconstitution de l'histoire des fonds marins. Thoulet (1907) avait déjà remarqué que les sédiments qu'il prélevait en mer d'Iroise étaient en tout point comparables aux observations effectuées par Bonjoux 30 ans auparavant à partir de données plomb suiffé. Gabelotaud (1994) montre une bonne similitude en termes de nature de fond et de répartition, entre des données plomb suiffé de 1913 et des données sonar latéral de 1990, pour un secteur au large de Barfleur. Cette étude montre par ailleurs l'intérêt de coupler les évolutions bathymétriques aux changements de nature de fond, eux-mêmes caractérisés à l'aide des données anciennes. Son étude démontre que pour les sédiments les plus grossiers, le plomb suiffé discrimine relativement mal les cailloutis et la roche. Dans les autres cas, il apporte une information primordiale d'autant plus que les sondages sont en grand nombre. Ces données plomb suiffé se chiffrent ainsi sur les côtes françaises à plusieurs centaines de milliers. Dans le cadre de nos études, lorsque nous effectuons le recensement des données d'une carte, nous observons en moyenne de 50 à 70 données plomb suiffé pour un prélèvement récent (bennes, dragages et carottages).

Technique

Cette méthode d'observation n'a plus cours aujourd'hui. Les plombs de sonde, employés avec des lignes de chanvre étaient de fonte, de forme oblongue avec une cavité inférieure enduite de suif. Au contact du fond, le sédiment adhérait ou au moins laissait une empreinte sur l'enduit.

Ce procédé d'utilisation, relativement simple, consistait donc à recueillir les différentes sortes de sédiments et débris de coquilles collés à l'enduit de suif. Cependant, l'hydrographe devait être aussi capable d'estimer la dureté du fond en y faisant tosser ou sonner son plomb. Ceci pour permettre de reconnaître un fond dur de roche sous une couche superficielle de sable. L'utilisation d'une perche pour accéder aux variations verticales du sédiment fut même utilisée, le plus souvent pour mesurer l'épaisseur de vase.

Certains sédiments trop grossiers ne pouvaient pas être remontés par le plomb et ne laissaient que leur empreinte. Les cailloutis par exemple laissaient de petites traces sur le suif, celles des galets étaient plus arrondies.

Lorsque l'on compare avec des données récentes, l'on observe que les faciès à galets et cailloutis sont dans certains cas sous-représentés au profit de la roche, du fait de l'ouverture restreinte du plomb.

Utilisation de la donnée

Les observations au plomb suiffé sont les renseignements les plus importants en quantité sur la plupart des plateaux continentaux même aux abords de la métropole. Ils se limitaient le plus souvent à la zone côtière (positionnement au cercle hydrographique, plus grande fréquence des levés par petit-fonds) ; mais de telles informations ont parfois été obtenues par plusieurs milliers de mètres de profondeur.

	Extrait d'une minute au plomb suiffé : Le Palais (Belle Ile)	Zoom sur l'extrait de la minute au plomb suiffé (Le Palais - Belle Ile)

La nature du fond était abrégée puis portée à côté de la sonde mesurée.
Exemples : R = roche, S = sable, S.f. = sable fin, G = gravier, Mad = madrépores (du maërl dans le cas de la figure ci-dessus), V = Vase, Coq = coquilles, Coq br. = coquilles brisées, V. v. = vase verte, V. n. = vase noire, V. m. = vase molle, S. g. = sable grossier, etc.

Se référer à l'ouvrage " 1D " (rubrique nature du fond) pour un inventaire exhaustif.Dans le cas d'une nature du fond multiple, la nature dominante est indiquée la première.
Exemple : Sf. V. Coq. = Sable fin avec de la vase et des coquilles.

Les données plomb suiffé ont toujours été utilisées pour fournir une indication de la nature des fonds sur les cartes marines. Pour la réalisation de cartes sédimentologiques l'utilisation des minutes de plomb suiffé s'impose lorsque ces données sont les seules disponibles ; mais le plus souvent, ces données viennent en complément des données récentes. Elles permettent alors de caractériser la pérennité des fonds, ou montrent au contraire leur variabilité au cours du temps ; l'observation de telles variations peut motiver la réalisation de nouveaux levés hydrographiques. Ces données sont en cours de numérisation pour une intégration dans la Base de Données Sédimentologiques du SHOM (BDSS).

La vidéo sous-marine

Généralités et objectifs

La photographie sous-marine est un complément utile pour affiner la connaissance de la rugosité et de la variabilité des fonds sur des surfaces de quelques mètres carré. Cette technique apporte l'information nécessaire entre le prélèvement très ponctuel (qui correspond à quelques centimètres d'épaisseur de sédiments) et le sonar latéral qui offre les informations sur les structures sédimentaires décamétriques. La photographie est donc avant tout un outil permettant la classification des petites structures sédimentaires. Seules les photographies permettent par exemple de :

• détecter les petites structures sédimentaires comme les rides (H<0,06m, 0.04<<0,6m),
• comprendre l'organisation des particules grossières dans les milieux hétérogènes,
• observer les marques de courants et le déplacement des particules,
• déterminer la rugosité des fonds,
• identifier des blocs (souvent trop volumineux pour les bennes, mais trop petits pour être décelés au sonar latéral),
• observer les organismes benthiques et leur impact sur le fond.

Elles ne permettent par contre que rarement de déterminer la granularité à cause du masquage par les organismes et de la fréquente existence d'un voile pélitique.

La vidéo et les photos sont utilisées pour :

• reconnaître les objets et structures de petite taille non décelable par méthode acoustique ou par prélèvement (algues, pierres, bancs de coquilles, rides de sable),
• calibrer les images acoustiques obtenues par sonar latéral ou sondeur multifaisceaux,
• étudier la dynamique sédimentaire par prise de vue récurrente.

Les descriptions par plongeur

Réalisation des descriptions

			Lors de la mise en place d'instruments de mesure (courantomètres, marégraphes côtiers, houlographe) ou lors d'investigation d'épaves pour cotation et reconnaissance, les plongeurs du SHOM réalisent des prélèvements et des descriptions visuelles. A l'instar de la caméra sous-marine, des photos et des données plomb suiffé, ces données renseignent sur l'hydrodynamisme et sur l'homogénéité sédimentaire de la zone.
	Prélèvement par plongeur

Les bennes de prélèvements : la benne Shipeck et la benne Van Veen

Les premiers prélèvements à la benne par les bâtiments hydrographiques datent de la fin du XIX^e siècle mais l'essentiel de ces prélèvements a été acquis récemment par le SHOM et les universités partenaires.

Présentation de la benne Shipeck

		La benne Shipeck est un instrument de prélèvement ponctuel de sédiment. Elle permet de ramener une quantité suffisante de sédiments (quelques centaines de grammes) pour effectuer des analyses granulométriques en laboratoire. La surface ainsi échantillonnée est d'environ 4 dm2. Légère (60 kg), la benne Shipeck est composée de deux parties : • le contrepoids, le système de déclenchement et les deux puissants ressorts appartiennent à la partie supérieure fixe, • un godet semi-cylindrique articulé, qui pivote autour d'un axe horizontal sous l'action des ressorts. Au contact du fond, le contrepoids tombe sur le système de déclenchement et entraîne la rotation de la mâchoire et la fermeture de la benne. Le sédiment ainsi piégé est peu perturbé et non lessivé. Il donne lieu à une première interprétation visuelle.
	Benne Shipeck

Présentation de la benne Van Veen

		La benne Van Veen est un instrument de prélèvement ponctuel de sédiment utilisé sur les vedettes des bâtiments hydrographiques pour permettre des prélèvements par petit fonds sans devoir mettre en œuvre un portique. L'objectif est de ramener une quantité suffisante de sédiments pour effectuer des analyses granulométriques en laboratoire et déterminer la nature des sédiments superficiels. La surface ainsi échantillonnée est d'environ 1 dm2. Légère (20 kg), la benne Van Veen est composée de deux mâchoires maintenues écartées par un crochet. Dès que les mâchoires touchent le fond, le crochet se désengage, et lorsque la corde est tirée, les mâchoires se referment du fait du rapprochement des bras de leviers et prélèvent le sédiment sur une surface d'environ 0,1 m2. Les données Chaque prélèvement fait l'objet d'une étude sédimentologique et granulométrique au laboratoire. L'échantillon passe d'abord sur une colonne de tamis pour obtenir la granulométrie de la partie grossière. Le poids de chaque refus de tamis est traité avec le logiciel Granush qui calcule les paramètres sédimentologiques de l'échantillon (asymétrie, classement ...). A l'issue de cette étape, le sédiment est nommé selon la norme de classification du SHOM. Pour les sédiments les plus fins, une analyse granulométrique complémentaire est réalisée à l'aide du microgranulomètre laser du SHOM (Laboratoire d'analyse SHOM-IFREMER). Outre l'analyse granulométrique, une mesure du taux de carbonate de calcium est réalisée afin de quantifier la proportion de coquilles dans le sédiment, paramètre influant également sur la perception du fond par les systèmes acoustiques. L'information donnée par les prélèvements est la base de la cartographie sur laquelle reposera l'interprétation des données d'imagerie acoustique. Comme avec les autres systèmes d'acquisition de données sédimentologiques, seule la confrontation de différentes données pourra permettre la réalisation de cartes des fonds telles que les cartes G. Les données issues de prélèvements à la benne sont systématiquement intégrées dans la BDSS.
	Benne Van Veen

Les carottiers : Le carottier Küllenberg et le carottier d'interface

Dans un secteur géographique donné, la première phase consiste à rechercher des processus sédimentaires mis en jeu à partir des données géophysiques (géomorphologie, sismique) et de l'imagerie issue des sondeurs multifaisceaux et sonars latéraux. La localisation des carottages est alors définie afin de définir chaque environnement sédimentaire sans devoir multiplier ces prélèvements qui sont primordiaux pour pouvoir caractériser les fonds mais dont l'acquisition et l'analyse sont coûteuses.

Présentation du carottier Küllenberg

	Le carottage permet d'obtenir en un point la connaissance de la variabilité des sédiments sur une épaisseur de plusieurs mètres (jusqu'à 10 m pour le système utilisé par les missions du SHOM). Le carottier utilisé est de type Küllenberg sur le Beautemps Beaupré.
		Carottier Küllenberg paré à être descendu au fond	Plan du carottier Küllenberg

Le carottier est descendu au fond de la mer via un câble, lorsque le contrepoids touche le fond, le basculement du bras de levier déclenche la chute libre du carottier. Grâce à sa masse et au lest, celui-ci s'enfonce dans le sédiment, et cela d'autant mieux lorsque ceux-ci sont fins et gorgés d'eau. Le piston reste au contact de l'interface eau-sédiment et limite ainsi les perturbations liées à l'effet de pieu. Il améliore également la pénétration du sédiment dans le tube en PVC par un effet d'aspiration.

	Différentes phases durant un carottage réalisé à l'aide d'un carottier Küllenberg	Découpe du tube en PVC en tronçon de 1 mètre

Sur le pont, la chemise PVC est extraite du tube du carottier puis coupée en tronçons de 1 mètre.

Les extrémités sont soumises à une première observation visuelle et à une mesure de la température, avant d'être protégées par du polystyrène et encapuchonnées; les analyses des sections sont ensuite réalisées en laboratoire. Elles consistent en la mesure de la granularité, de mesures physiques (scissométrie, célérimétrie, colorimétrie, …) et de prise de vues.


Présentation du carottier d'interface

Le carottier d'interface est choisi lorsque l'on souhaite connaître précisément la nature et la disposition des sédiments de surface (premier mètre).
Ce carottage est aussi bien utilisé par petits fonds que par grands fonds (maximum 6000 m). Il peut être utilisé avant un carottage Küllenberg afin de s'assurer une connaissance parfaite de la couche sédimentaire superficielle, car le carottage Küllenberg déstructure parfois les premiers décimètres de sédiments.

		Le fonctionnement du carottier d'interface est basé sur la pénétration du tube dans le sédiment par l'effet conjugué de la masse du lest mobile qui appuie sur le tube et l'inertie imprimée à l'ensemble mobile. Lors de la remise sous tension du câble une fermeture étanche du tube se met en place à la partie supérieure du tube en plexiglas transparent. Le sédiment ramené dans le tube est alors maintenu par aspiration jusqu'à la surface eau / sédiment. Les mâchoires de fermeture situées à la base du carottier se referment, le tube étant alors hermétiquement fermé. Le carottier est remonté à la surface.
	Carottier d'interface (une carotte est visible à l'intérieur du tube en plexiglas transparent)

Analyses en laboratoire

Etudes des carottes

		Les mesures réalisées à l'aide d'un banc de mesures non destructives, c'est à dire obtenues sans ouvrir les carottes sédimentaires permettent d'obtenir des valeurs de la densité, de la susceptibilité magnétique et une valeur approchée de la célérité. Ceci est fait le plus souvent à terre lorsque l'on peut disposer du banc GEOTEK (laboratoire SHOM-IFREMER).
	Banc Geotek

		Le plus souvent la première opération consiste à ouvrir la carotte sur toute sa longueur à l'aide d'un banc d'ouverture de carotte. Une moitié servira de support de travail et sera soumise à une description par un géologue, à une prise de vue pour archiver les couleurs et structures qui sont beaucoup plus visibles à l'ouverture. Puis sont effectuées les analyses des propriétés physiques des sédiments (scissométrie, célérimétrie, spectrocolorimétrie) et enfin les prélèvements pour l'analyse de la granularité et les études sédimentologiques. La seconde moitié de la section est archivée dans une lithothèque.
	Exemple d'une carotte photographiée à haute résolution

		La couleur est qualifiée précisément à l'aide d'un spectrocolorimètre fonctionnant en mode L*a*b* (Luminance X Spectre a X Spectre b, recouvrant donc tous les spectres colorimétriques) relié à un micro-ordinateur. Les images obtenues (carotte, section de 1 mètre, zooms...) sont nécessaires car les traces de matières organiques vont rapidement s'oxyder à l'air libre, masquant ainsi les variations lithologiques. Un log descriptif vient ensuite détailler la couleur, les séquences sédimentaires, les perturbations ...
	Spectrocolorimètre

	Exemple de FICHE DESCRIPTIVE d'une carotte Prélevée le 10/06/2007 au large de la Sicile (SHOM/GOA - BBP) Section 1 : 0-80cm
		D'autres mesures, sont effectuées plus rarement tel que la datation par radiochronologie ou micropaléontologie, qui permettent de dater des évènements (telles que les avalanches sous-marines) ou de définir les taux de sédimentation ...

Analyses de laboratoire pour les prélèvements sédimentaires

A partir des prélèvements le nom du sédiment peut être établi afin de réaliser des cartes à classification descriptive, et on dispose en outre de paramètres granulométriques. Ces derniers sont très variés et ont fait l'objet de multiples synthèses. La littérature scientifique regorge d'articles et de livres sur les avantages et inconvénients des divers paramètres issus des analyses granulométriques.

Le SHOM réalise des analyses en laboratoire pour déterminer selon des critères précis, les paramètres granulométriques et les propriétés physiques des sédiments.

Ces analyses sont relativement similaires, que les échantillons aient été obtenus, à l'aide d'une benne Shipeck, d'un prélèvement par plongeur ou d'un échantillonnage dans une carotte :

• la granulométrie : ce sont des opérations aboutissant à la séparation selon leur grosseur des éléments constituant un échantillon, en employant des tamis à mailles carrées afin d'obtenir une représentation de la répartition de la masse des particules à l'état sec en fonction de leur dimension.

Exemple d'un prélèvement hétérogène renfermant des particules très grossières et d'autres plus fines

L'analyse granulométrique permet de :

- Déterminer la proportion des différentes classes granulométrique constituant le sédiment.

- Donner un nom au sédiment (application en cartographie).

- Calculer des paramètres sédimentaires et géoacoustiques qui seront archivés dans la BDSS.

Le schéma du mode opératoire pour la granulométrie comprend trois méthodes d'analyse qui découlent de la nature de l'échantillon.

Le premier cas correspond à un sédiment hétérogène grossier. La méthode appliquée sera l'analyse par tamisage après lavage. Le lavage est indispensable pour éviter que les particules s'agglomèrent en séchant à cause du sel.
Le second cas correspond à un sédiment homogène fin. La méthode appliquée sera l'analyse par microgranulométrie laser (avec une limite d'utilisation de 2 mm avec le système utilisé par le SHOM).
Le troisième cas correspond au mélange de sédiments fins et grossiers en proportion plus ou moins égale. La fraction grossière sera analysée par tamisage après lavage du sédiment. La fraction fine sera analysée par microgranulométrie.

La suite des tamis utilisés par le SHOM (valeur des mailles en mm), est la suivante :
20, 12.5, 10, 5, 2, 1.6, 1.25, 1, 0.8, 0.5, 0.4, 0.3, 0.18, 0.1, 0.05



Tamiseuse avec sa colonne de tamis complète

Chaque refus de tamis est pesé, ainsi que le fond. Ces éléments dont les dimensions sont comprises entre deux ouvertures de tamis définissent un intervalle, une classe granulométrique. Chaque pesée est inscrite sur la fiche d'analyse. Les résultats sont saisis dans le logiciel Granush qui calcule les paramètres sédimentaires de l'échantillon (assymétrie, classement ...).

• la calcimétrie est la mesure du pourcentage de carbonate de calcium (CaCO3) contenu dans un sédiment. L'appareil demeurant le plus utilisé est le calcimètre Bernard.
  
  
  
  
  Calcimètre Bernard
  

On mesure le volume de gaz carbonique (CO2) dégagé dans un tube manométrique, après attaque de l'échantillon, sec, non lavé et broyé, à l'acide chlorhydrique suivant la formule :

CaCO3 + 2 HCL ' CaCl2 + H2O + CO2




Broyeur électrique

La teneur en carbonate de calcium renseigne essentiellement sur la proportion de débris de coquilles te de tests d'organisme ceci est utile pour les études sur l'origine des sédiments, sur le transport sédimentaire et pour la modélisation géoacoustique.

• lla mesure de la célérité est réalisée à l'aide d'un vélocimètre. Celui-ci est essentiellement utilisé pour la modélisation géoacoustique et pour le recalage des données sismiques. Ces domaines nécessitent une grande précision et donc l'obtention de mesures absolues. La mesure doit être faite dès l'émersion de la carotte. L'on peut alors rattacher la célérité mesurée à la granularité du sédiment et voir la variation en fonction de la profondeur et du mode de dépôt.
  
  
  
  
  Variation de la célérité mesurée le long d'une carotte
  
  
  Le présent système permet de :
  
  • créer une base de données de référence de mesures de célérité, sur des sédiments bien déterminés en terme de nature et de processus de mise en place, afin de pouvoir attribuer à chaque type de fond des paramètres acoustiques qualifiés,
  
  • répondre rapidement aux besoins de la modélisation acoustique lors d'opérations de reconnaissances de l'environnement,
  
  • qualifier les données et modèles géoacoustiques très disparates rencontrés dans la bibliographie,
  
  • réaliser des études sur l'atténuation dans les sédiments et sur les variations de célérité en fonction de la fréquence d'émission.

  L'objectif des mesures réalisées avec ce système est de pouvoir transcrire en termes acoustiques les cartes sédimentologiques incluses dans la Base de Données Sédimentologiques du SHOM (BDSS 2D). Dans cette Base de Données surfacique, chaque zone peut être associée à un log sédimentaire comportant les propriétés sédimentologiques et physiques des sédiments.

Bibliographie

  EhrholdD A, Blanchard M., Auffret J.P., Garlan T., 1998. Conséquences de la prolifération de la crépidule (Crepidula fornicata) sur l'évolution sédimentaire de la baie du Mont-Saint-Michel. (Manche, France). Compte Rendu de l'Académie des Sciences, 327, 583-588.

  Gabelotaud I., 1994. Validité et utilisation des données sédimentologiques anciennes obtenues à l'aide du plomb suiffé. Rapport de stage INTECHMER-SHOM, Brest, 68 p.

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  Guyomard P., 1994. Etudes des carottes sédimentaires KS01 et KS02 prélevées au cours de la campagne ESSCAMP 1992. Rapport de stage SHOM-IFREMER, Brest, 59 p.

  Guyomard P., 2006. Protocole d'analyses granulométriques et calcimétriques. Rapport SHOM - Mode Opératoire, Brest, 12 p.

  Guyomard P. et Garlan T., 2004. Le prélèvement de sédiments. Rapport SHOM - Mode Opératoire, Brest, 23 p.

  Kerbrat R., Garlan T., Auffret G.A., 1987. Logsate. 1^er Congrès Français de Sédimentologie, Publ. A.S.F., Paris, 217-218.

  Pedreros R., 1996. Granush: Logiciel de traitement et de formatage des données granulométriques et microgranulométriques pour leur intégration dans la BDSS. Rapport SHOM, 34p.

  Quemart P., 1993. Granulométrie par diffraction laser - Application aux sédiments marins. Rapport SHOM, 32p.

  Walker P., Garlan T., 2001. La mesure en sédimentologie côtière et sa représentativité. Géologues, " La mesure et sa représentativité en sciences de la Terre ", 129, 61-65.

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