Camion vibrateur pour l'acquisition de données sismiques. © Thomas Burschil, imaggeo.egu.eu
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L’imagerie sismique pour échographier la croûte terrestre

Question/RéponseClassé sous :Géologie , géophysique , imagerie sismique
 

Pour étudier la croûte terrestre, les géologues et géophysiciens font appel à différentes techniques. Certaines sont dites « directes », comme le prélèvement d'échantillons de roches et de sédiments par dragage ou forage. Mais ces techniques, même si elles permettent des études détaillées et précises, ne donnent accès qu'à la couche très superficielle de la croûte. Pour connaître la structure en profondeur, il est nécessaire de faire appel à des techniques dites « indirectes », comme l'imagerie sismique.

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Il y a plusieurs types de méthodes géophysiques indirectes qui permettent de connaître la structure et la composition de la croûte terrestre. La gravimétrie, par exemple, qui permet de dresser des cartes d'anomalies de gravité, donnant ainsi des indications sur les variations de densité dans le sous-sol. Il y a également la tomographie sismique, qui permet de cartographier la structure interne de la Terre grâce aux enregistrements des grands tremblements de terre. Mais l'une des méthodes les plus utilisée est certainement l'imagerie sismique.

Sismique réflexion et sismique réfraction

L'imagerie sismique se décompose en deux techniques qui apportent chacune des informations différentes : la sismique réflexion et la sismique réfraction. Ces techniques s'appuient sur les propriétés de propagation d'une onde acoustique dans l'eau et dans les roches. Elles sont intensément utilisées pour la recherche académique mais également pour l'exploration pétrolière. Elles peuvent être mises en œuvre à terre ou en mer, afin de recueillir des images de l’architecture profonde de la croûte continentale ou océanique.

Principes de l’acquisition sismique en mer. À gauche, la sismique réflexion. À droite, la sismique réfraction. © Ifremer
  • La sismique réflexion

Lorsqu'une onde sismique (naturelle ou artificielle) se propage dans la croûte terrestre, elle va se réfléchir en partie sur les différentes interfaces qu'elle va rencontrer, en fonction du contraste de vitesse. Par exemple, une onde arrivant à l'interface entre une couche de sable et une couche d'argile va être partiellement réfléchie vers la surface, tandis que le reste de l'énergie sera transmise vers les niveaux plus profonds.

Dans le cadre d'une campagne de sismique réflexion, la source de l'onde est artificielle. Il peut s'agir de camion vibreur ou de dynamite lorsque l'étude se fait à terre, ou de canons à air comprimé tirés par un navire océanographique lorsque l'étude se fait en mer.

Les ondes réfléchies vers la surface vont être reçues par des capteurs (hydrophones en mer ou géophones à terre) et leur signal et temps d'arrivée sont enregistrés sous forme de traces sismiques. S'ensuit un complexe traitement informatique qui vise à regrouper ces traces, à en extraire le bruit et à appliquer différents filtres afin d'obtenir une image haute résolution de l'architecture du sous-sol.

Cette image se présente sous la forme d'un profil sismique, sur lequel chaque interface rencontrée par les ondes sera visible (on parle de réflecteurs). On obtient ainsi une sorte de coupe verticale en 2D de la croûte terrestre qu'il est alors possible d'interpréter. L'échelle verticale de cette coupe n'est à l'origine pas en mètre mais en temps (secondes). Pour pouvoir obtenir une coupe en profondeur (mètres), il faut appliquer un modèle de vitesse qui permet d'effectuer la conversion de temps en profondeur grâce à la relation vitesse = distance / temps.

Exemple de coupe sismique en temps montrant l’alternance des réflecteurs marquant les interfaces entre les différentes couches géologiques. De grandes failles sont également visibles. © Kilde, PGS, disponible sur www.norskpetroleum.no

La résolution et la profondeur de pénétration d'un profil sismique variera en fonction des paramètres de la source sismique utilisée, et en particulier de la longueur d'onde. Ces paramètres seront donc ajustés en fonction de l'étude et de son objectif. Les profils de sismique marine peuvent faire plusieurs kilomètres de profondeur, permettant parfois d'imager la croûte jusqu'au Moho, c'est-à-dire la transition entre la croûte océanique et le manteau.

L'interprétation des profils sismiques permet ensuite d'émettre des hypothèses sur la structure de la croûte, son architecture, la présence de failles, de zones amincies ou au contraire épaissies. Elle permet d'observer la déformation enregistrée dans les sédiments et dans le socle et ainsi de reconstruire l'évolution tectonique de la zone.

  • La sismique réfraction

Si elle se base sur les mêmes principes physiques de propagation des ondes que la sismique réflexion, la sismique réfraction se concentre non pas sur les ondes réfléchies mais sur les ondes réfractées. En effet, au passage d'une interface marquant un contraste de vitesse, une partie de l'énergie de l'onde va voyager le long de l'interface et ressortir plus loin où elle sera enregistrée par des capteurs. La durée de propagation de l'onde va donc fortement dépendre de la vitesse du milieu dans lequel elle aura voyagé. Alors que la sismique réflexion vise à connaître la structure de la croûte, le but de la sismique réfraction est de construire un modèle de vitesse.

Superposition des données de sismiques réfraction et réflexion le long d’un profil en mer. © Clàudia Gras, Barcelona Center for Subsurface Imaging, Institute of Marine Sciences (ICM), CC by 4.0

Coupler les méthodes pour une meilleure interprétation

La sismique réflexion représente un outil très puissant qui permet notamment aux entreprises d'exploration pétrolières de déterminer leurs futures zones de forage. En mer, les profils sismiques peuvent faire plusieurs centaines de kilomètres de long, permettant d'observer les variations à grande échelle dans la croûte océanique. En quadrillant une zone, il est également possible d'avoir une image 3D très détaillée des structures.

Cependant, cette méthode ne permet pas d'avoir une connaissance précise de la nature des roches dans le sous-sol. En couplant les profils de sismique réflexion avec les modèles de vitesse issus de la sismique réfraction, il est possible d'émettre de premières hypothèses sur la nature des roches en profondeur et d'avoir une estimation sur l'épaisseur réelle des différentes couches géologiques. Pour une analyse plus détaillée, les géologues et géophysiciens tentent généralement d'associer à ces données des observations directes de type forage ou dragage.

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