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Les outils d'acquisitions : Sonar latéral, sondeur multifaisceaux, sismique et géoacoustique

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Le monde marin est peu transparent à la lumière, la majeure partie des méthodes classiques en domaine aérien ne peuvent donc être utilisées. Les progrès dans les domaines de l'hydrographie ou de la sédimentologie sont liés, ces dernières décennies, au développement des systèmes de mesure acoustique tels que les sondeurs (mono puis multi-faisceaux (SMF)), les sonars latéraux ou la sismique.

Le fond filtre les signaux acoustiques, en prélevant une part de l'énergie véhiculée, et renvoie une partie du signal vers la source. L'analyse du signal réverbéré est effectuée par les sédimentologues pour caractériser les fonds, et par les acousticiens et sonaristes, pour la modélisation acoustique et la détection sur les sonars des objets ou organismes recherchés. Les premiers travaillent préférentiellement avec des ondes émises verticalement (spéculaire), les seconds étudiant plutôt les ondes émises avec un angle faible afin d'explorer la tranche d'eau sur une vaste étendue. Par petits fonds une onde acoustique émise selon une faible rasance se propagera par de multiples rebonds (fond-surface), l'impact de la nature des fonds sera alors très important. Par grands fonds tout dépendra des propriétés de la couche d'eau qui peuvent engendrer un piégeage des ondes acoustiques ou favoriser la réflexion des ondes sur le fond marin ; la connaissance des sédiments sera dans ce second cas nécessaire.

La réverbération est affectée aux hautes fréquences (quelques centaines de kHz) par la végétation sous-marine ; les sondeurs haute fréquence seront bien adaptés pour la cartographie des algues et herbiers. Avec la diminution de la fréquence, la pénétration des ondes dans les sédiments s'accroît ce qui augmente les capacités des systèmes à classifier les sédiments. En deçà d'une limite avoisinant 20-30 kHz, les ondes peuvent alors traverser plusieurs couches sédimentaires voire même atteindre la roche sous-jacente ; les paramètres acoustiques obtenus correspondent de ce fait à un mélange de différentes informations et deviennent plus difficiles à interpréter. La pénétration des ondes dans le sédiment est influencée par la granularité des sédiments mais aussi par des inhomogénéités internes comme les terriers, les bulles de gaz, les coquilles et les variations de porosité.

Type et Fréquence du système

Application


 Sondeur 2 MHz - 400 kHz

Détection sur profil par traitement d'image de la répartition des algues Sonar latéral et SMF

200kHz -90 kHz

Cartographie par petits fonds des structures sédimentaires sur mosaïques d'images

Sondeur 90 kHz - 30 kHz

Systèmes de Classification des fonds Sonar latéral et SMF

20kHz -10 kHz

Cartographie par grands fonds des structures sédimentaires sur mosaïques d'images

Boomer 10 kHz à 0,01 kHz

Caractérisation des couches sédimentaires

Relation entre la fréquence de quelques systèmes d'acquisition et de leur domaine d'application

 

 

 

Le sonar latéral

 

Présentation


Le sonar latéral est un émetteur-récepteur d'ondes acoustiques qui présente l'avantage de visualiser les fonds sur une largeur importante. Le signal acoustique réfléchi par les fonds marins est restitué à bord du navire sur écran. Sont ainsi obtenues des informations sur la morphologie et la nature texturale du fond. Ce système utilisé par les hydrographes pour rechercher les épaves et obstructions, est un outil très utile pour les applications de sédimentologie car il apporte une vision du fond comparable à de la photographie aérienne du sol.

Le sonar à balayage latéral se compose :

  • d'un poisson cylindrique, en métal profilé, pourvu d'ailerons de stabilisation, d'un lest en zinc dans le nez pour l'équilibre hydrodynamique, de caissons étanches pour les transducteurs et l'électronique, un bras de remorque et une prise étanche câble électroporteur-poisson,
  • de câbles avec une double armature en acier tressé, de 5 tonnes de charge de rupture, avec une longe flexible de 5 mètres du côté du poisson, une alimentation électrique,
  • d'un dépresseur qui permet d'augmenter la profondeur d'immersion du poisson et ainsi de pouvoir explorer la totalité du plateau continental,
  • d'un équipement de visualisation, d'enregistrement et de traitement du signal à bord du navire.
Photographie d'un sonar latéral

Le poisson est remorqué à une hauteur du fond d'environ 1/10ème de la portée efficace maximale choisie. Le profil levé est parallèle à la direction principale des courbes bathymétriques de manière à avoir une profondeur constante et à favoriser la détection des structures. Les navires du SHOM effectuent un recouvrement total des profils, ce qui permet d'insonifier 2 fois les épaves et obstructions et ainsi de mieux caractériser le point haut sur lequel seront effectuées les plongées.

Les deux transducteurs latéraux rayonnent des faisceaux extrêmement fins, d'un degré d'ouverture en gisement (dans le plan horizontal) et 20 à 50° d'ouverture en site (dans le plan vertical). Une brève impulsion électrique est envoyée vers les transducteurs portés par le poisson. Transformées en ondes acoustiques de courte durée (0,1 ms) et de haute fréquence (100 kHz ou 500 kHz selon la résolution recherchée), les impulsions ultrasonores successives se propagent dans l'eau et sont réfléchies sur le fond. Seule l'onde spéculaire, celle empruntant la même trajectoire après réflexion, est reçue par le poisson du sonar latéral. Le signal acoustique, transformé en signal électrique, est ensuite traité pour reconstituer une image acoustique du fond marin. Selon la nature du fond rencontré par l'onde, les nuances de gris varient : en général un substrat dur sera foncé (ex : roche) et un sédiment meuble sera plus clair (ex : vase).

Photographie d'un sonar latéral numérique avec un dépresseur surplombant le poisson

Le sonar latéral numérique a pour principal avantage d'être équipé d'un capteur fournissant le roulis, le tangage et le cap magnétique. Ces données sont lues par le processeur du poisson à très haute fréquence, et sont incorporées dans les séries de données sonar à enregistrer par le processeur de surface.

Le sonar à balayage latéral numérique nouvelle génération est basé sur une émission simultanée d'impulsions acoustiques multiples, dit " Multi pulse ". Cette technique permet de fournir un taux élevé d'informations. Comparativement au sonar latéral conventionnel qui fonctionne sur le principe d'une seule impulsion par cycle d'émission, la couverture se trouve densifiée ce qui permet d'exécuter les profils à des vitesses jusqu'à quatre fois supérieures à celles utilisées avec les sonars à balayage latéral conventionnels utilisés jusqu'alors.

Exemple de l'imagerie sonar latéral numérique sur une épave

 

Utilisation du sonar latéral en sédimentologie


La nature du fond influence les ondes acoustiques par suite de plusieurs phénomènes :

  • les pertes de propagation dues à la réflexion (perte par réflexion sur le fond, diffusion sur la surface du fond marin, réflexion sur le substratum induré),
  • la réverbération (ou rétrodiffusion) qui résulte du renvoi vers la source de l'onde acoustique par action de la rugosité,
  • la diffusion qui engendre l'allongement des signaux reçus,
  • le bruit lié à l'activité biologique, aux avalanches sous-marines, aux mouvements des galets.
Exemple d'images et de mosaïques d'images sonar latéral et SMF obtenues par le SHOM sur divers environnements d'étude de la sédimentologie

La donnée sonar latéral constitue, depuis les années 1980, un outil indispensable pour la cartographie des sédiments, car elle permet d'observer :

  • des structures sédimentaires de petite taille ou dont le relief est insuffisant pour être détecté à l'aide des données bathymétriques ; c'est le cas des champs de mégarides, des pockmarks (cratères liés à l'évacuation des gaz),…
  • lorsque leur densité est suffisante, la répartition de certains faciès particuliers ayant une signature acoustique particulière tels que les bancs de crépidules, ou les champs d'algues et herbiers de posidonie,
  • la limite des affleurements rocheux, comme les dômes de sel, et cela d'autant plus que la roche est rugueuse et en relief,
  • les blocs rocheux épars pluridécimétriques qui ne sont détectables qu'avec ce système,
  • les traits de chalutage, les traces d'ancres, les câbles, pipe-lines, les épaves,…


Le SHOM met en oeuvre le sonar latéral pour localiser les obstructions et épaves, l'utilisation de ces données pour la cartographie des sédiments permet d'affiner les limites de zones rocheuses, de caractériser les différentes structures sédimentaires (bancs et dunes de sables, pockmarks,…) .

La limite entre deux zones ayant des coefficients de rétrodiffusion différents, se traduit sur l'enregistrement graphique par une modification des niveaux de gris. Classiquement, un enregistrement blanc ou gris clair correspondra à des sédiments fins, un enregistrement gris foncé à des sédiments grossiers, la roche paraissant plus sombre et pourvue de fractures et zones d'ombres.
Cependant, si le sonar latéral permet une bonne reconnaissance des structures rocheuses et sédimentaires (champs de mégarides, dunes de sable, rubans sableux...), il ne permet pas une identification précise de la nature des sédiments. Par exemple, l'extrait de sonogramme suivant (444ko), semble montrer sur la droite un fond rocheux, il s'agit en fait d'un banc de crépidules en Baie du Mont Saint-Michel. De nombreux faux amis ont ainsi été détectés : fonds sableux absorbants, fonds vaseux réfléchissants, montrant que l'interprétation des bandes sonar latéral ne peut se faire sans l'usage de données complémentaires tels que les prélèvements

Banc de crépidules (organismes vivants, coquilles et vases) à droite sur un fond sédimentaire non envahi (Baie du Mont Saint-Michel)

Les données d'imagerie sonar latéral sont tout d'abord regroupées sous forme de mosaïques (fusion des différents profils). Ces mosaïques sont interprétées par un spécialiste pour fournir des cartes de structures sédimentaires qui sont intégrables en Base de Données et qui servent de données d'entrées pour la réalisation des cartes sédimentaires.

Mosaïque sonar latéral des abords de Cherbourg extraite de la BDSS, avec une classification des fonds adaptée aux données d'imagerie
Fonds absorbants (uni ou rugueux) ; peu, normalement ou très réfléchissants (uni ou rugueux) ; roche affleurante ou sub-affleurante ; Champs de mégarides 2D de longueur d'onde <5m, <10m ; dunes ; …

En première approche, les limites inhérentes à ce système sont dues à des problèmes de distorsion (causés par l'état de la mer: roulis, tangage...) et à des problèmes de positionnement du poisson lorsque les courants sont forts. Du point de vue de la sédimentologie ce système a, dès les années 1980, permis de visualiser les structures sédimentaires inconnues auparavant. Le sonar latéral à 100 kHz est assez peu discriminant du point de vue granulométrique et ne perçoit plus du tout de variations de nature de fond à plus haute fréquence. En contrepartie, il gagne alors en résolution et permet la détection de petits objets (blocs erratiques, rides, rubans sableux, herbiers, …). Ainsi, en première analyse, la cartographie des sédiments paraît facile à réaliser avec les images sonar latéral qui paraissent aussi explicites que des photographies aériennes. Pourtant des écarts entre ce que semblaient montrer les données sonar latéral et la vérité terrain ont été rencontrés et correspondent au deuxième niveau de la limitation des capacités de ces systèmes.

Ainsi nous avons observé :

  • que des mégarides observées sur un profil pouvaient ne pas l'être sur des profils perpendiculaires,
  • que des taches noires de l'estuaire de la Vilaine sur un fond gris homogène, semblant montrer des sédiments grossiers ou des fonds rocheux dans un environnement sédimentaire homogène plus fin, étaient en fait des vases indurées au sein de vases molles (observation en plongée),
  • qu'aux abords de l'estuaire de la Gironde, des déformations du signal acoustique par réflexion sur la surface pouvaient mimer des champs de mégarides,
  • ...


Les exemples d'écarts entre la nature réelle des sédiments et les images sonar latéral sont plus fréquents qu'il n'y parait. Mais pour les mettre en évidence, il est nécessaire de confronter ces images à multiples autres données qui ne sont pas toujours à la disposition du sédimentologue. Il est ainsi parfois observé plusieurs types de sédiments très différents pour une zone paraissant homogène sur les données d'imagerie. A l'opposé nous avons reconnu des limites très nettes sur des sonogrammes qui ne correspondaient en réalité qu'à une légère variation granulométrique (passage de sables moyens à des sables grossiers au sud du Raz de Sein ; passage de sables fins à des sables fins comportant des coquilles de 2 à 3mm aux abords de Trafalgar, …).

Inter comparaison de données sonar latéral avec un profil sismique

Les pockmarks proviennent de l'échappement des gaz interstitiels biogéniques ou de gaz plus profond appelés thermogéniques. Kelley et al (1994) proposent deux modèles conceptuels avec, selon les environnements, la formation de pockmarks de façon lente ou soudaine :

  • l'évolution ordinaire de sédiments fins enfouis, riches en matière organique engendre la formation de gaz par action microbienne. Les gaz migrent naturellement vers la surface sous forme de bulles interstitielles. Lors de sa libération, le gaz fluidifie le sédiment et favorise la remise en suspension des sédiments sus-jacents. Le pockmark est d'autant plus ancien que son diamètre est important, car les gaz tendent à toujours emprunter le même trajet ascensionnel.
  • un second modèle implique l'émission violente du gaz à l'occasion d'événements majeurs tels que les séismes, les tsunamis, voir même les tempêtes.
Imagerie sonar latéral : Champ de pockmarks d'une vingtaine de mètres de diamètre rencontrés dans le Golfe Persique (SHOM - 1999)

 

Le Sondeur Multifaisceaux

 

Présentation


Contrairement aux sonars latéraux qui n'offrent que des images, les sondeurs multifaisceaux sont des sondeurs bathymétriques ayant en complément une fonction imagerie. De tels systèmes imageurs sont désormais utilisés en routine, et permettent, comme le faisait le plomb suiffé au début du XXe siècle , d'acquérir simultanément l'information sur la profondeur et la nature du fond.

Les sondeurs multifaisceaux (SMF) actuellement utilisés par le SHOM à l'écart du domaine côtier, sont un SMF grand-fonds EM120 de la société Simrad, et 4 SMF petit-fonds EM1002. Les travaux menés par la cellule sédimentologie sur l'imagerie SMF ne concernent pas les SMF très petit fonds des vedettes hydrographiques. Ces derniers systèmes acquièrent plusieurs giga octets de données/heure chacun qui ne peuvent être étudiés actuellement.

Un système tel que le SMF EM120 grand-fonds permet de fournir une image acoustique du fond jusqu'à des profondeurs de 11 000 m. Avec une largeur d'exploration de 20 km, les superficies couvertes sont importantes et peuvent atteindre 8 000 km2 par jour. L'image des fonds marins obtenue (exemple : haut fond du nord de l'Océan Indien) est en première approche semblable à une image sonar latéral.

En imagerie acoustique, la réflectivité (traduite en niveaux de gris) varie en fonction de l'angle d'incidence de l'onde acoustique sur le fond marin. Elle est très forte en incidence verticale (spéculaire), et beaucoup plus faible en incidence rasante (bordure de fauchée). Le signal rétrodiffusé est enregistré sous la forme de profil d'imagerie acoustique constitué de nombreux pixels géo référencés contenant comme information une valeur de rétrodiffusion. Cette valeur corrigée de la rasance varie suivant la nature du fond, et va permettre de classifier les fonds gris foncé en fonds très réfléchissants (roches, cailloutis, fonds hétérogènes, sédiments contenant du gaz, sédiments indurés,… ), et les zones gris clair en fonds très absorbants (vase, sables vaseux, sédiments très homogènes, …).

L'imagerie peut conduire à la réalisation d'une carte de la nature des fonds marins, après classification de la mosaïque d'images et une validation terrain. De plus, elle peut apporter une information sur les propriétés géoacoustiques des fonds. Dès l'acquisition des premiers profils, le SHOM s'est heurté à des problèmes d'interprétation des données d'imagerie, en particulier lors de la découverte de la tache blanche de l'éventail turbiditique du glacis celtique. Ce profil d'imagerie SMF, acquis en 1993 lors d'un transit, montre des fonds blancs, s'étant révélés sableux, les fonds gris avoisinants correspondant à des argiles pélagiques et une tache noire au pied du talus continental provenant d'un slump dans lequel le carottier pénétra facilement. La tache blanche a depuis lors fait l'objet de nombreuses campagnes et études (Unterseh 1999, Zaragosi 2001).

La capacité de l'imagerie SMF EM12 pour caractériser la variabilité des fonds est bien illustrée par la mosaïque d'un haut fond du nord de l'Océan Indien, sur laquelle s'observent des zones sombres, des zones grises et des zones blanches, avec un plateau situé à 500 mètres de profondeur encerclé par un talus abrupt, lui-même incisé par des canyons responsables du transit des sédiments du plateau jusqu'aux fonds de 3500 mètres. Cette mosaïque très riche en information demeure toutefois insuffisante pour réaliser une carte des sédiments sans l'apport de prélèvements et d'études complémentaires approfondies.

Apport de l'imagerie SMF pour la cartographie des sédiments : exemple d'un haut fond du nord de l'Océan Indien (Mosaïque SMF)

Les limites de l'imagerie acoustique des SMF sont les suivantes :

  1. La profondeur d'investigation de l'onde sonore à l'intérieur des couches sédimentaires est mal contrainte.
  2. La réflectivité est la somme de l'effet de pente et de la nature du fond.


Pour ces deux raisons, toute mosaïque segmentée obtenue doit être validée par un opérateur géologue qui à l'aide de connaissances acquises par ailleurs (prélèvements, système de classification des fonds, photographies sous marines, profils sismiques,...) transcrira l'imagerie obtenue en carte de structures sédimentaires intégrable dans la BDSS et utilisable pour la réalisation d'une carte sédimentaire telle que les cartes G.

Il est à noter qu'une décorrélation entre le sédiment de surface et le niveau de réflectivité observé sur l'imagerie SMF, provient parfois de la pénétration du signal qui peut excéder, pour les SMF basse fréquence, des épaisseurs de 20 mètres dans les sédiments fins.

 

La sismique

 

Présentation


Les principes de la sismique sont globalement les mêmes que l'on soit en domaine terrestre ou en domaine marin. La sismique est basée sur le principe de la propagation d'ondes acoustiques basse fréquence dans un milieu continu et élastique. Les vitesses de propagation dépendent des propriétés d'élasticité des couches traversées et de leur densité ainsi que des conditions du milieu (pression, température, …). A partir de la mesure du temps de propagation des ondes dans le sous-sol et du signal retour obtenu, on déduit les propriétés et les épaisseurs des couches traversées. La prospection sismique mise en oeuvre par le SHOM concerne l'étude des ondes réfléchies par le sous-sol : sismique réflexion.

L'énergie émise est égale au produit de la puissance par la durée de l'impulsion; le choix d'une longue impulsion permet de conserver de faibles puissances d'émission afin d'éviter les phénomènes de cavitation et de conserver assez d'énergie pour obtenir un signal suffisant. Pour compenser l'importance de la longueur de l'impulsion, les sondeurs de sédiments sont fréquemment munis de corrélateurs permettant de moduler le signal de réception en fonction du signal émis. Les pics de corrélation, tracés ou reportés sur écran, permettent d'obtenir la qualité nécessaire pour l'analyse sédimentologique; en contre partie la corrélation efface dans le signal l'information sur les propriétés acoustiques du sous-sol marin. Le système de sismique a un impact important sur la donnée obtenue. Celle-ci sera ainsi très variable selon l'évolution des techniques, mais aussi d'une étude à l'autre et d'un organisme à l'autre ; il est donc nécessaire d'effectuer une normalisation avant intégration dans la BDSS.

La sismique mise en oeuvre au SHOM


Si le milieu n'est pas homogène, ce qui est pratiquement toujours le cas dans les sédiments, il y a atténuation de la propagation par absorption. Le coefficient d'absorption (en décibels) est proportionnel à l'énergie perdue en une longueur d'onde . Les ondes à hautes fréquences sont atténuées plus rapidement que les ondes basses fréquences qui pénétreront donc plus loin dans les couches sédimentaires. Il existe plusieurs sortes de mesures sismiques qui seront utilisées selon la résolution et la profondeur recherchée qui sont inversement proportionnelles. Par exemple, la recherche de couches profondes pouvant contenir des hydrocarbures fera appel à des fréquences de quelques dizaines de Hertz, permettant d'explorer de grandes profondeurs mais avec une très faible résolution. Les applications concernant le SHOM (enfouissement de bombes et d'épaves, détection sonar, …) s'intéressent au contraire à de faibles épaisseurs (quelques mètres à quelques dizaines de mètres) et une très haute résolution ; cela impose l'usage de systèmes de sismique ayant des fréquences proche du kilohertz.

Le sondeur de sédiments et les données sismiques servent pour les études sédimentologiques et pour la cartographie sédimentaire. Parallèlement à cette approche naturaliste, des études sur la modélisation du signal des sondeurs de sédiments ont été réalisées, puis a été mis en place un programme d'études pour caractériser les propriétés acoustiques du sous-sol marin à partir des données sondeur de sédiments du SHOM

La sismique apporte des réponses aux besoins :

  • de caractérisation du sous-sol marin et de détection des réflecteurs à des fins de modélisation 3D,
  • de définition de la profondeur maximum d'enfouissement,
  • de caractérisation de l'atténuation et de la célérité des couches sédimentaires,
  • de détection des environnements sédimentaires contenant du gaz,
  • de l'étude des avalanches sous-marines pour la cartographie des épandages profonds à forte réflectivité et la prévention des tsunamis,
  • de délimitations des plateaux continentaux (projet EXTRAPLAC),
  • de détermination des points de carottage.


Le SHOM utilise deux systèmes de sismique réflexion : les sondeurs 3,5 kHz et le SBP120.

Impact du système de sismique sur la donnée obtenue : Profil aux abords des Pertuis charentais effectué avec 3 systèmes différents (a : Sondeur de sédiments du BH2 Lapérouse (1996) Chirp centré sur 3,5 kHz ; b : Sparker de 50 joules - Chirp 0,2 à 1,2 kHz ; c : Boomer IKB Seistec - Chirp 1 à 10 kHz)

Sondeur à 3,5 kHz :

Il s'agit pour le SHOM de sondeurs de coque à 9 transducteurs TR109 (angle total à -3 dB de 40°) ; le faisceau d'émission en incidence normale a une puissance maximale de 500 Watts, une impulsion longue (>25 ms) et une modulation linéaire de fréquence (chirp) entre 2,5 et 4.5 kHz, avec une corrélation à la réception. Ce sondeur de sédiments équipe les bâtiments de type BH2 : Lapérouse et Borda. La vitesse optimale d'acquisition est de 6 nœuds. Un tel dispositif émetteur-récepteur est préférentiellement utilisé par le SHOM car il fonctionne des petits fonds jusqu'aux plus grands fonds, et sa mise en œuvre ainsi que le dépouillement de ses données sont relativement aisés. Les profondeurs maximales de sédiments explorés à l'aide de ces systèmes sont de l'ordre de 70 m pour les sédiments fins (argiles pélagiques de la ride des Açores) et de 10 m pour les sables (Banc d'Armen). La pénétration de ces ondes dans les sédiments plus grossiers est pratiquement inexistante. Le sondeur de sédiments offre un bon compromis pour nos applications nécessitant une profondeur d'exploration pluridécamétrique et une bonne résolution verticale, puisque cette dernière est inférieure au mètre.

SBP120 :

Le sondeur de sédiments SBP120 équipe le bâtiment hydrographique et océanographique Beautemps Beaupré. Ce système de sismique et le sondeur multifaisceaux associé (EM120) sont situés dans une gondole placée sous la coque du navire pour minimiser les interférences permettant ainsi d'avoir des données d'excellente qualité.

Vue de la gondole en cours de construction

Les antennes d'émission (3 X 32 transducteurs) et de réception (64 transducteurs) mesurent plus de 7 mètres de long et sont perpendiculaires, le nombre de transducteurs utilisés ainsi que la puissance d'émission peuvent être modulés.

C'est une sismique THR (Très Haute Résolution) avec un signal émis en modulations linéaires de fréquence (chirp) pour une fréquence comprise entre 2,5 et 7 kHz avec une puissance d'émission d'environ 220 décibels. La résolution théorique est de 16 cm. Elle est le plus souvent meilleure que 35 cm pour des pénétrations pouvant atteindre 100 mètres même dans des sédiments indurés. La géométrie des faisceaux du sondeur de sédiments peut être réglée pour réaliser de la sismique THR multifaisceaux.

Exemples de données de sismique THR SBP120 avec modification de la géométrie des faisceaux d'émission

Les longues antennes assurent une forte directivité du signal, une bonne résolution horizontale et une pénétration importante grâce au fort niveau d'émission. La relativement large bande fréquentielle permet d'avoir une bonne résolution verticale.


  • Exemples de données de sismique acquis par le SHOM

- Modélisation 3D des sédiments superficiels

La chronologie des évènements géologiques, la répartition et l'épaisseur des sédiments déposés, sont déterminés à l'aide de la sismique très haute résolution (exemple des profils au large de la Sicile). Ces données servent aux recherches en sédimentologie, réalisées, pour le compte du SHOM, par des laboratoires universitaires. Elles servent également à la réalisation de modèles sédimentaires numériques 3D destinés à répondre aux besoins civils et militaires aussi variés que la détection des mines, la propagation acoustique, la pose d'infrastructures (câbles, pipe-line, éoliennes, …), la modélisation (transits sédimentaires, dunes, …), la cartographie des sédiments.

Zone de roche (à gauche) et succession de couches de sédiments (à droite) sur les abords orientaux de la Sicile (campagne GOA - 2007)
Successions de dépôts sédimentaires séparés par des épisodes érosifs marqués (GOA 2007) abords de la Sicile.

- Détection de la présence de gaz dans les sédiments superficiels

Dans le cas de sédiments saturés en gaz, le sédiment a beau être très fin et donc absorbant, les ondes acoustiques vont être entièrement réfléchies. Cela engendre des pockmarks lorsque le sédiment est évacué en surface ou des zones sourdes lorsque le gaz est piégé sous quelques mètres de sédiments. Ce phénomène est très fréquent dans toutes les régions et nous l'avons rencontré au large de toutes les côtes françaises et étrangères.

Accumulation de gaz visibles sur les profils SBP120 et dans la carotte sédimentaire réalisée lors de la campagne effectuée par le GOA en 2005 au large de Port Gentil (Gabon).


- Détermination de points de carottage

Détermination d'un point de carottage grâce au SBP120. Le premier réflecteur interne (image en haut à droite) correspond aux sédiments plus grossiers situés à la base de la première section de la carotte (image de gauche).

 

Caractéristiques géoacoustiques des fonds marins

 

Présentation


L'investigation sédimentologique des fonds marins a considérablement progressé ces dernières années, sans que cela soit pris en compte dans les sciences connexes telle que la géoacoustique. Contrairement aux théories des années 60, les propriétés acoustiques des sédiments montrent qu'il n'existe pas de loi universelle reliant la granulométrie d'un sédiment à des valeurs de célérité et densité. Par contre régionalement de telles lois existent. Cela est essentiellement dû au fait que les sables d'une plage méditerranéenne n'ont pas les mêmes propriétés que ceux d'une turbidite de l'Atlantique ou d'un sédiment issu de la mousson en Océan Indien, même si ces sédiments ont le même grain moyen ou la même porosité. Les sources de différences entre divers environnements sont multiples: l'usure des grains, la cohésion, la nature des minéraux lourds, la présence de coquilles, de carbone organique, voire de gaz (pockmarks, zones sourdes).

Par l'usage des systèmes acoustiques, il est maintenant possible au sédimentologue d'avoir accès aux mégarides, pockmarks, blocs erratiques, champs d'algues, zones sourdes, volcans de boue, variations de nature de fond, empreintes tectoniques et anthropiques, … Mais pour arriver à une telle détermination il est nécessaire de recourir à une multitude de systèmes ayant des propriétés d'émission très variables. Chaque étude couplant les données acoustiques aux données sédimentaires ajoute un niveau d'exigence, engendrant une plus grande complexité des systèmes à mettre en œuvre et un plus grand besoin d'expertise. De ce fait, plus les études sur la télédétection des propriétés géoacoustiques du sol et sous-sol marin progressent, et plus il est nécessaire de faire appel à des études fines des sédiments et de leurs caractéristiques.

L'amélioration des produits fournis dans ce domaine passe par une classification des sédiments ne prenant pas seulement en compte les paramètres centraux de la granulométrie, mais également le mode de dépôt et les particularités régionales ou locales. La nature du fluide interstitiel et la forme des particules, difficilement accessibles, sont données indirectement par la densité et la porosité.

La sédimentologie a donc largement progressé grâce aux systèmes acoustiques, mais la réciproque ne semble pas effective. Les propriétés acoustiques des fonds marins ont une influence majeure sur les prédictions de portée des sonars, l'utilisation de ces derniers nécessite donc de disposer de modèles géoacoustiques du fond qui rendent compte de la complexité du terrain. Deux méthodes sont possibles: l'une s'appuie sur l'approche naturaliste et l'analyse des données terrain, ensuite transformées en modèle acoustique, l'autre consiste en l'évaluation des paramètres géoacoustiques par l'analyse directe de signaux acoustiques. Cette seconde approche recherche un milieu équivalent qui fournirait les mêmes signaux acoustiques en propagation que ce qui est observé en réception sur le sonar. Préférée par les physiciens cette dernière nécessite des données de calage pour pouvoir obtenir des résultats satisfaisants, la réalisation de carottages va ainsi croissante pour améliorer la modalisation acoustique du fond marin.

La modélisation géoacoustique


Le premier objectif n'est pas de rechercher de nouveaux systèmes de mesures ou d'automatiser les méthodes de traitement, mais bien d'atteindre le stade de fusion des données afin de pouvoir réaliser une caractérisation des couches sédimentaires, qualifiée et complète en terme de paramètres descriptifs servant en entrée des futurs modèles 3D du fond marin. Pour calculer les coefficients de réflexion et la propagation acoustique dans le milieu marin, il est nécessaire de réaliser des modèles géoacoustiques qui reposent sur les caractéristiques physiques de l'eau et des sédiments. A cet effet, un simulateur a été créé afin d'évaluer quel pouvait être l'impact d'une variation sédimentaire sur les modèles acoustiques. Une telle approche est par essence limitée puisque les modèles géoacoustiques réduisent le plus souvent la traduction du sédiment à sa plus simple expression (grain moyen ou porosité). Le simulateur permet toutefois d'apprécier l'impact des modifications des paramètres d'entrée des modèles géoacoustiques sur les modèles de propagation (signal réverbéré et réfléchi). Cet outil permet d'étudier les performances des systèmes d'acquisition acoustique utilisés par les sédimentologues ainsi que les pertes en réflexion et l'impact des sédiments sur les données sonars obtenues par les acousticiens et les sonaristes, le simulateur couvre ainsi une large gamme de fréquence et d'angles d'émission.

L'analyse de différents paramètres a été menée. Elle a par exemple permis par exemple d'évaluer l' impact de la variation de profondeur d'une couche de sables fins dans un milieu argileux sur la réflexion pour différents angles d'incidence

Visualisation des paramètres acoustiques (célérité, atténuation, densité, …) et de leurs écarts par rapport aux mesures in situ
Résultats de la modélisation des pertes en réflexion selon la rasance et la fréquence pour un environnement sédimentaire donné.

 

Bibliographie

 

  • Aubertin T., 2002. Etude comparée de l'imagerie sonar latéral et sondeur multifaisceaux EM1002S pour la cartographie des sédiments. Rapport INTECHMER-SHOM.

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