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La campagne DIONYSUS

Pour l’acquisition des données de sismique grand-angle, des sismomètres de fond de mer (OBS=Ocean Bottom seismometer) sont déployés depuis un navire océanographique le long d’un profil. Ces instruments sont maintenus au fond de l’eau par un lest pendant que le navire repasse le long du profil en tractant une source acoustique (canons à airs) qui tirent à intervalles réguliers. Les OBS enregistrent alors les ondes générées par la source et leur passage dans les couches géologiques. En fin d’acquisition les OBS larguent leur lest via un signal acoustique (unique pour chaque OBS) ou bien après un temps donné préalablement programmé. Ils remontent enfin à la surface où ils seront récupérés à bord du navire pour l’extraction des données.

Les données

Les données utilisées pendant ce stage proviennent de différentes campagnes en mer. Tout d’abord la campagne DIONYSUS (Deep structure of the IONian sea and east sicilY: wide-angle seismic SUrvey of the calabria Subduction zone and tethys margins) qui a eu lieu en octobre 2014 à bord du navire Allemand le F/S Meteor, campagne à laquelle j’ai pu participer. Elle a permis de recueillir des informations sur la structure de cette zone grâce à trois types de données : bathymétrique, de sismique-réflexion et de sismique grand-angle à partir de cinq profils répartis sur l’Ouest et le centre du bassin. La sismique grand-angle a été opérée par les deux instituts Européens Geomar (avec 30 OBS et OBH Allemands) et Ifremer (avec 32 OBS Français) pour acquérir presque 900 km profil sismique grand-angle et réflexion. Ce projet Européen inclut aussi des équipes Italiennes notamment de l’INGV Rome ont déployé six stations à Terre. Le stage s’appuie également sur des données de sismique-réflexion provenant des Campagnes PrisMed (1993) et Archimede (1997) mais aussi de la campagne CIRCEE (octobre 2013) qui avait procédé à des relevés bathymétriques et du carottage en plus des profils de sismique-réflexion haute résolution. Ainsi la carte bathymétrique présentée dans ce rapport est la première compilation aussi complète dans le bassin Ionien. Elle regroupe les données des campagnes du Meteor : M111 (ou DYONISUS avec H. Kopp, M-A. Gutscher), M112 (G. Bohrmann) et M86 (S. Krastel) ; du PourquoiPas : MocoSed (S. Zaragosi, T. Garlan) ; du Suroit : CIRCEE (M-A. Gutscher) et des données du SHOM (Service Hydrographique et Océanographique de la Marine) provenant de nombreux transits et d’autres campagnes (T. Garlan).
La Géométrie d’acquisition du profil DY-P3 :
Le profil utilisé pour la modélisation des vitesses sismiques lors de ce stage était le profil DY-P3 aligné ENE-SSW parallèle à l’axe de subduction (voir figure 1.10). Au total, 25 OBS et 6 stations
à terre ont étés déployés le long de ce profil. Chaque OBS est espacé de 3.2 Miles Nautiques (5.9 km) avec son précédant, sur une longueur totale de 120 MN (222 Km) dont 80MN (150 km) en mer.
La source utilisée était une batterie de canons à air G-Gun, fabriqués par Sercel. Les canons avaient un volume total de 84 L pour émettre de basses fréquences (12-23 Hz) permettant une forte pénétration des ondes acoustiques (voir figure 2.1 pour la géométrie de placement des canons).
Les tirs étaient espacés d’environ 125 m alors que le navire avançait de 4 à 4.5 nœuds (7.41 à 8.33 km/h), soit 1 tir toutes les 60s, avec pour point de départ 16°36’E / 37°58’N et d’arriver 15°08’E / 37°24’N.
Une flûte de 65m comportant 4 traces a permis d’acquérir des données de sismique-réflexion (ou Sismique Multi-Traces, SMT) le long du profil OBS. Ces données imagent la structure des couches sédimentaires. Ce profil de sismique-réflexion de 4 traces est présenté en annexe 5.

Les instruments de la campagne DIONYSUS :

Durant la campagne DIONYSUS trois types d’instruments ont été utilisés pour enregistrer les données de sismique grand-angle. Ces instruments étaient des microOBS + du côté Français, et des OBS et OBH de la société KUM (Umwelt-und Meerestechnik Kiel GmbH, KUM) du côté Allemand.
Les micro-OBS + Français :
Ces OBS sont d’une taille très réduite en comparaison à leurs prédécesseurs. En effet ils renferment 3 géophones et leur système de sauvegarde des données, une batterie (permettant 24 jours d’enregistrement), un transmetteur radio et une lampe flash dans une sphère en verre de seulement 13’’ (33cm). Les deux derniers outils cités servent à la récupération de l’instrument quand il refait surface. En externe, sont compris une antenne radio (ou gonio) et un hydrophone enregistrant des données acoustiques, mais aussi le signal de libération du lest. Ils ne mesurent que 60cm de haut sur 50 cm de large, pour un poids total d’une vingtaine de kg et peuvent atteindre des profondeurs allant jusqu’à 6000 m. Le détail des caractéristiques des micro-OBS + est fourni en annexe 6.
Les OBS et OBH Allemands
Les instruments utilisés par l’institut Geomar sont plus imposants (1.20 m de large et 2.00m de haut pour un poids de 240 Kg) et ont un sismomètre déporté permettant un couplage optimal de l’instrument avec le fond marin. Ces instruments sont aussi équipés d’une lampe émettant un flash et d’une balise radio facilitant leur récupération.

Principe de la sismique grand-angle (SGA)

La sismique réfraction (ou grand-angle) mesure les temps de propagation des ondes sismiques (essentiellement les ondes P) entre une source (le navire et ses canons à air) et un récepteur placé au fond de l’eau (l’OBS) (figure 2.3), le but étant de définir les vitesses sismiques des milieux traversés par les ondes acoustiques, ainsi que la géométrie du milieu grâce aux épaisseurs de chaque couche. Les profondeurs d’investigation sont de l’ordre de 30 à 40 km de profondeur, ce qui en fait un outil très utile pour l’étude structurale de la croûte.
Pour faire une comparaison, la sismique-réflexion (et la Sismique Multitrace ou SMT) qui utilise uniquement les ondes réfléchies, possèdent un système d’acquisition où la source et le récepteur sont tous deux mobiles, tractés par le navire, et ont donc un offset constant (la distance entre source et récepteur reste constante). Le but est d’obtenir une image bien résolue des réflecteurs dans les premières couches sédimentaires. En ce qui concerne la sismique grand-angle (SGA), elle utilise les ondes réfractées et réfléchies dans un système d’acquisition où le récepteur est fixe et la source mobile. En agrandissant le plus possible cet offset, les ondes pénètrent de plus en plus profondément dans la croûte. Cependant, pour de grandes distances un maximum d’énergie est nécessaire et cela requiert une source puissante générant de basses fréquences.
Principe physique
Ce postulat repose d’une part sur le principe de Fermat et les lois de Snell-Descartes (aussi bien valables en optique qu’en sismique ou en sismologie) et d’autre part, que la vitesse de propagation des ondes sismiques croît avec la profondeur. Ces lois permettent de prédire les différents comportements des ondes traversant des milieux aux propriétés physiques différentes et notamment au niveau de la transition entre ces milieux. Trois comportements majeurs sont discernés en fonction des angles d’incidence des rais sismiques (angles mesurés par rapport à la normale au point de « contact » du rai et de la surface de la zone de transition). Un rai est une ligne partant de la source et orthogonale au front d’onde. Les trois comportements des ondes au niveau de la transition entre deux milieux différents sont :
 L’absorption : l’énergie mécanique de l’onde est dissipée après avoir été transformée en énergie thermique par exemple. Ce comportement n’intéresse pas la SGA puisqu’on ne peut l’enregistrer avec un sismomètre et est synonyme de perte de signal.
 La réflexion où la zone de transition entre deux milieux différents agit comme un « miroir » réfléchissant l’onde incidente et sera donc nommé réflecteur.
 Et la transmission où un rai sera réfracté, c’est-à-dire que son angle d’incidence sera modifié par rapport au rai incident.
En sismique grand-angle, les ondes réfléchies et transmises sont utilisées, et plus particulièrement les ondes coniques.

Modélisation de la SGA

Le traitement des données de SGA s’est déroulé en deux étapes. Celles-ci reposent sur une méthode d’inversion des temps d’arrivé des différentes phases observées sur les enregistrements des OBS (Zelt et Smith (1992) et Zelt (1999)). La première étape est l’inversion tomographique, nommée FAST qui permet d’obtenir un modèle de vitesse en utilisant les premières arrivées des enregistrements OBS. La seconde, RAYINVR (ou Forward Modelling) sert à produire le modèle des
vitesse final, en utilisant toutes les phases qui doivent être différenciées lors de leur pointés. La modélisation forward permet d’inclure des informations supplémentaires provenant de la sismique-réflexion. La modélisation se fait donc d’une part, par le pointé des arrivées sur les enregistrements OBS et d’autre part, en minimisant une erreur entre le modèle (avec ses couches arbitraires ou extraites de la sismique-réflexion) et les données représentées par les pointés. Après de multiples itérations, le modèle de vitesses est rendu.
Les données brutes des OBS sont prétraitées directement sur le navire, notamment par l’application de correction de dérive de l’horloge (par rapport à une horloge GPS) et de leur dérive pendant leur descente. Cette étape préliminaire a été réalisée à partir des différences d’arrivées théoriques et observées, la meilleure position étant déterminée à partir de celle possédant le résidu le plus faible.

Représentation des enregistrements OBS et Pointés des différentes phases :

Pour les deux types d’inversion (tomographique et Forward), il est nécessaire d’identifier les différentes phases observables sur les enregistrements OBS. Pour représenter les enregistrements OBS et faciliter le pointé des différentes phases, un graphique particulier est utilisé (formule F1). Il représente en abscisses l’offset de chaque tir, centré sur la position de l’OBS (il prend la valeur 0 quand le navire tire au-dessus de l’OBS) et en ordonnées le temps, réduit d’un terme de normalisation des vitesses (2.4). Ce dernier terme (généralement 6 km.s-1) est utilisé dans le but d’obtenir une horizontalisation des réflecteurs crustaux, dont les vitesses sont proches de celles que l’on souhaite observer et ce afin de faciliter leur identification.
Ainsi, avec cette représentation, les différentes phases peuvent être identifiées et pointées (en utilisant SUxpicker, Cohen et Stockwell, 2003) en fonction de la pente des réflecteurs. À partir de l’OBS (offset = 0) on retrouve l’onde directe, en allant vers un offset plus grand et quand la pente change ce sont ensuite les sédiments qui peuvent être identifiés, puis les réflecteurs crustaux et enfin ceux du manteau si ils existent (puisque la qualité des données SGA décroît avec la profondeur). Proche de l’OBS mais plus tardive que l’onde directe, se trouvent des ondes réfléchies sur les interfaces à fort contraste d’impédance. Plusieurs réflecteurs sont alors identifiés en fonction de leur pente, mais celle-ci varie entre deux OBS assez distants en fonction de plusieurs paramètres comme la proximité d’une pente topographique forte par exemple. Pour le profil DY-P3, l’escarpement de Malte a, par exemple, influencé les pentes de tous les réflecteurs en les accentuant.

Modélisation FAST (First Arrival Seismic Tomography)

Ce premier traitement permet d’avoir une vision d’ensemble des données sur le profil étudié. Ces programmes reposent sur l’inversion des temps de trajet des premières arrivées, dans le but d’obtenir un modèle de tomographie sismique. A partir d’un modèle initial, l’inversion cherche à minimiser l’erreur entre les temps de premières arrivées observées sur les enregistrements OBS, et ceux calculés par le modèle. Son approche itérative se déroule en deux étapes. La première utilise une approche directe, où le modèle initial est une grille régulière à maille carrée, dans laquelle sont calculés les temps de trajets théoriques des ondes (par une technique de différences finies, Podvin et Leconte, 1991). Ce sont ensuite les temps minimums de trajets des rais entre la source et le récepteur qui sont calculés dans ce modèle pour en déduire la différence entre ces temps théoriques et ceux observés. La deuxième étape, (approche inverse) cherche à minimiser cette différence en faisant varier uniquement le modèle initial, notamment dans la géométrie de ses gradients de vitesse. Cette étape nécessite plusieurs itérations dont le nombre est fixé par l’utilisateur. Plusieurs paramètres permettent aussi de régler la « quantité de modifications » à apporter au modèle initial. La modélisation FAST est en grande partie numérique, l’utilisateur ne pointe que les premières arrivées et règles certains paramètres (modèle initial, nombre d’itérations…). Le modèle rendu en fin de calcul FAST ne permet pas de contraindre les sauts et inversions de vitesse. Il permet d’obtenir un modèle indépendant de l’utilisateur puisque la majorité des calculs sont réalisés sans son intervention. Cependant, il ne permet pas d’inclure les ondes réfléchies (provenant des données de SGA) ni des informations provenant de la sismique-réflexion. D’où la nécessité de poursuivre l’exploitation des données avec une modélisation plus complète : le Forward modelling.

Modélisation forward avec RAYINVR

RAYINVR est un ensemble de programmes qui permet de modéliser les temps d’arrivée des différentes phases pointées. Ici la modélisation est directe, puisque l’utilisateur construit le modèle initial qu’il va modifier en fonction des données.
Le modèle initial est défini par un ensemble de « nœuds » de vitesse à un certain offset et une certaine profondeur, ces nœuds vont définir les couches de vitesse du modèle initial (figure 2.5). Et ce, dans le but d’imposer une grille prédéfinie à partir des observations faites avec le modèle FAST mais aussi de la sismique-réflexion (notamment pour les couches superficielles) et des connaissances géologiques et tectoniques de la zone. Plus il y aura de nœuds pour une couche et plus la géométrie de celle-ci sera précise. Les vitesses sont alors interpolées linéairement entre deux nœuds de vitesse. Le but étant de créer un gradient de vitesse en profondeur dans le modèle, afin de calculer par la suite les temps de trajet théoriques des rais dans le modèle.
Les temps théoriques sont calculés en utilisant un algorithme de tracé de rais qui permet de calculer les temps synthétiques en chaque point du modèle. Ils peuvent alors être comparés aux temps des pointés pour chaque OBS à chaque phase. L’idée étant de comparer les temps de trajets théoriques des rais pour chaque couche du modèle, aux temps de trajet déterminés lors du pointé de chaque phase (une couche étant représentée par une phase). Cette comparaison est d’une part graphique et d’autre part numérique puisque RAYINVR calcule une erreur quadratique moyenne (Root Mean Square = RMS). Le modèle initial peut être modifié couche par couche par l’utilisateur (en commençant par les couches superficielles) de façon à ce qu’il se rapproche des données, en minimisant l’écart entre temps théoriques et temps pointés sur les enregistrements OBS. L’utilisateur modifie les épaisseurs et les vitesses des couches de ce modèle en fonction de ses observations. Les phases réfractées permettent de contraindre les vitesses au sein des couches alors que les phases réfléchies aident à contraindre la géométrie des interfaces.
Il est nécessaire de respecter une approche « minimum structure » puisque toutes les phases peuvent êtres expliquées dans le modèle si celui-ci contient de nombreux nœuds de vitesse et de changement latéral de vitesse. Un tel modèle ne tiendra pas compte des structures réelles mais des 24 particularités de chaque OBS. Il est important de trouver un compromis entre les particularités de chaque OBS pour une même phase (modélisée en une couche le long du profil). Comme pour la méthode FAST il est possible d’obtenir un RMS si seulement un faible nombre de pointés est modélisé. Il faut donc trouver un nouveau compromis entre l’erreur RMS (entre les temps d’arrivé théoriques et des données) et le nombre de pointés expliqués.

Principe de la Modélisation analogique :

Afin d’expliquer certaines observations dans la bathymétrie du prisme d’accrétion, des modélisations analogiques ont été effectuées du 14 au 17 avril dans les laboratoires de géosciences Montpellier, en collaboration avec Jacques Malavieille, Stéphane Dominguez, Serge Lallemand et leur équipe.
En tectonique, il peut être utile de modéliser certains objets géologiques dans le but de mieux comprendre les processus en jeu et l’évolution de ces objets dans l’espace et le temps. Cela permet notamment d’apporter des éléments complémentaire pour l’interprétation des mesures et observations faites sur le terrain (ou au travers des données bathymétriques par exemple). Ces modèles sont soit conceptuels, mécaniques ou cinématiques et sont basés sur des calculs numériques ou bien résultant d’une expérience technique (modélisation analogique). Ce dernier type de modélisation consiste en une représentation à une échelle réduite d’objets géologiques où les paramètres sont maîtrisés. Là où la modélisation numérique utilise des paramètres mathématiques, la modélisation analogique utilisera des matériaux avec des propriétés physiques connues (rhéologie, épaisseur, diamètre des grains…) et programmes du numérique seront les techniques de mise en mouvement du modèle (taux de raccourcissement, vitesse constante ou non…). Les modèles analogiques réalisés durant ce stage étaient des modèles dits « sandbox » (pour boîte à sable) utilisés pour l’observation de structures tectoniques notamment dans les prismes d’accrétion. Les premiers modèles à avoir été développés dans ce but datent des années 1880 (Cadell, 1888 ; Daubrée, 1879) les pionniers dans le domaine. Ils consistent en une simple convergence où une butée (Backstop) vient déformer un matériau (la plupart du temps des couches de sables sec). Deux méthodes sont classiquement utilisées, soit le Backstop est fixe et c’est un niveau de décollement qui fait avancer le matériau, soit la butée avance directement dans le matériau. Les résultats des deux méthodes sont très comparables (Graveleau et al. 2012). Les conditions aux limites sont définies suivant : la méthode choisie, la géométrie du modèle et les effets de bords du modèle. Ces paramètres sont totalement maîtrisés ou non suivant les besoin de l’expérience. Ils sont alors classés de premier ordre quand ils doivent être pris en compte et de second ordre quand leurs effets sont négligeables, comme la gravité par exemple. La rhéologie (étude du comportement de la matière sous l’effet d’une contrainte) est de premier ordre dans la plupart des expérimentations et classiquement deux types sont utilisés dans la modélisation analogique Sandbox :
 Cassante (ou Brittle en anglais) obéissant aux lois de Mohr-Coulomb dont chaque paramètre doit être pondéré en fonction du ratio d’échelle entre modèle et réalité dans la nature :
= × × Formule F2 : Formule de Mohr-Coulomb pour une Rhéologie cassante(1773). Avec [ = ℎé / = é / = é / = é è ].
 Visqueuse (Viscous) qui obéit aux lois Newtoniennes et dont les paramètres doivent la encore tenir compte du ratio d’échelle modèle et nature :
= × ℰ Formule F3 : Formule de la rhéologie visqueuse Newtonienne. Avec [ = contrainte /
= é / ℰ = vitesse de déformation].
Matériaux utilisés
Les propriétés intrinsèques du sable sec (principalement du Quartz) en font un matériel très rependu pour la modélisation de la tectonique cassante. En effet son angle de friction interne est proche de celui des roches rencontrées dans la nature (entre 25° et 45°), sa densité est satisfaisante pour ce type de modélisation (de 1.3 à 1.7 g.cm-3) et il possède une faible cohésion (10 à 50 Pa) permettant de valider F2. Il est donc souvent employé pour modéliser la croûte supérieure fragile. Le sable utilisé pour toutes les modélisations au cours de ce stage était du 150 µm (diamètre moyen des grains) qu’il soit blanc ou coloré. En ce qui concerne la rhéologie visqueuse, un polymère de silicone est souvent employé. Un peu plus onéreuse, elle est cependant moins variable suivant les laboratoires que ne l’est le sable. Sa densité à température ambiante est plus faible que celle du sable (1.0 à 1.2 g.cm-3) et sa viscosité est de 1×104 à 5×104 Pa.s. D’autres matériaux ont aussi été utilisés au cours des expérimentations, notamment des microbilles de verre (50 µm) directement réparties sur la toile du niveau de décollement afin de rendre sa friction très faible. Et de la poudre de silice (maximum 45 µm) assez cohésive qui a permis d’enregistrer les mouvements cassants en surface des modèles, et dont l’épaisseur ne dépassait pas le millimètre. Plusieurs modèles ont été proposés afin de tester différentes hypothèses permettant d’expliquer cette morphologie dont trois seront détaillés dans ce rapport. Ces hypothèses concernent d’une part la limite entre les deux lobes du prisme Calabrais, avec : premièrement celle d’une faille découpant les deux lobes du prisme et deuxièmement, l’hypothèse d’une limite entre deux lobes dues à la subduction d’un mont sous-marin. D’autre part, pour tenter d’expliquer les interactions entre un prisme salifère (au fluage newtonien) et un prisme clastique (dont la déformation est cassante).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I – ZONE D’ETUDE ET CONTEXTE GEODYNAMIQUE
1. LA MER MEDITERRANEE
a. Description géomorphologique
b. Histoire Téthysienne : Géodynamique de la Méditerranée Centrale
c. Tectonique actuelle
2. LES MARGES TRANSFORMANTES ET LES FAILLES DE DECHIRURE « STEP FAULTS »
a. Définition
b. Caractéristiques générales
c. Les STEP faults
3. LE BASSIN IONIEN : UNE ZONE DE SUBDUCTION
a. Présentation de la zone d’étude
b. Sismique-réflexion
c. Géologie structurale de la Calabre et de la Sicile
4. ENJEUX ET PROBLEMATIQUE
CHAPITRE II – DONNEES ET METHODES UTILISEES
1. LA CAMPAGNE DIONYSUS
a. Les données
b. Les instruments de la campagne DIONYSUS
2. PRINCIPE DE LA SISMIQUE GRAND-ANGLE
3. MODELISATION DE LA SGA
a. Représentation des enregistrements OBS et Pointés des différentes phases
b. Modélisation FAST (First Arrival Seismic Tomography)
c. Modélisation forward avec RAYINVR
4. PRINCIPE DE LA MODELISATION ANALOGIQUE
CHAPITRE III – RESULTATS & INTERPRETATIONS
1. RESULTATS ET INTERPRETATION DU MODELE FAST
a. Présentation du modèle FAST
b. Calculs d’erreurs sur le modèle FAST
c. Description des résultats
d. Interprétations du modèle FAST
2. LE MODELE DE VITESSE FINAL ET SON CALCUL D’ERREUR
a. Présentation du modèle
b. Représentation des temps d’arrivé synthétiques
c. Gravimétrie
d. Résolution
e. Incertitude sur les pointés et tableau récapitulatif des erreurs par phases
3. RESULTATS ET INTERPRETATIONS DU MODELE DE VITESSE FINAL
a. Description des résultats obtenus :
b. Interprétations
4. MODELISATION ANALOGIQUE
a. Présentation du modèle de mouvements différentiels de butées
b. Résultats
c. Interprétation des résultats
CHAPITRE IV – INTERPRETATION ET DISCUSSION
1. MODELISATION DU BLOC CALABRAIS
a. Limite Est du bassin sédimentaire
b. Les inversions de vitesses et failles internes du bloc Calabrais
2. UNE « ANCIENNE » MARGE TRANSFORMANTE EN SICILE ?
3. POSITIONNEMENT DE LA FAILLE « RECENTE » DE DECHIRURE STEP FAULT ?
4. DISCUSSION SUR LE MODELE ANALOGIQUE
a. Les limites du modèle
b. Comparaison du modèle à la bathymétrie du prisme Ionien
CONCLUSIONS
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
Annexe 1 : Frise chronologique des travaux réalisé au cours de ce stage
Annexe 2 : Carte de réparation des séismes et de leurs mécanismes au foyer.
Annexe 3 : Résultat de la modélisation FAST sur le profil DY-P3
Annexe 4 : Résultat de la modélisation FAST sur le profil DY-P1, Modéliser pendant la campagne DIONYSUS.
Annexe 5 : Profil de sismique-réflexion de la Campagne DIONYSUS, acquis le long du profil DY-P3.
Annexe 6 : Fiche techniques des équipements des micro-OBS+

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