Développement de méthodes d'imagerie sismique par grand fond et d'analyse multiéchelle par ondelettes pour la caractérisation à haute résolution du sous-sol marin

Development of deep-sea seismic imaging methods and wavelet multiscale analysis for high resolution characterization of the sub-seabed

• Auteur / Autrice : Stéphan Ker
• Direction : Dominique Gibert, Yves Le Gonidec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Institut de physique du globe (Paris ; 1921-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie sismique

Ondes -- Propagation

Analyse en ondelettes

Sédiments marins

Résumé

La sismique haute résolution (200-2000 Hz) est un outil indispensable pour l’étude du sous-sol marin et des risques géologiques associés. Par grande profondeur d’eau, les dispositifs d’acquisition de surface ne sont pas adaptés et depuis les années 90, la stratégie d’acquisition est de placer le dispositif sismique près du fond. Ifremer a ainsi récemment développé un système sismique près du fond (SYSIF) utilisant des sources sismiques de type transducteurs piézoélectriques opérables jusqu’à 6000 m. Afin de permettre la confrontation entre les profils sismiques SYSIF et les mesures géotechniques in situ, notre travail vise à améliorer la résolution sismique et à proposer des méthodes de caractérisation quantitative des propriétés des sédiments marins. Dans l’objectif d’améliorer le potentiel des données monotraces acquises par SYSIF, la séquence de traitement est optimisée en introduisant la déconvolution de signature. Le gain en résolution verticale est supérieur à 2 et des résolutions de 1 m et 0. 5 m sont atteintes pour les deux sources mises en oeuvre par SYSIF dans les gammes de fréquence [220-1050 Hz] et [580-2200 Hz]. Pour accéder à une imagerie multidéport et améliorer la résolution latérale, une expérience exploitant la source [220-1050 Hz] et des hydrophones de fond de mer a été réalisée dans le cadre de l’étude d’un glissement enfoui au large du Nigéria. Ce type d’acquisition nécessite un positionnement précis et requiert d’élaborer des méthodes d’analyse de vitesse de propagation et d’imagerie propres à cette géométrie d’acquisition. L’imagerie sismique obtenue possède une résolution latérale de l’ordre de 2. 5 m et démontre la faisabilité d’une imagerie multidéport HR par grande profondeur d’eau utilisant la source SYSIF. Dans le but d’accroître la résolution verticale et de caractériser les structures fines des réflecteurs, une analyse multiéchelle des données SYSIF est entreprise dans un second temps. Cette analyse repose sur le concept de la réponse en ondelettes étroitement associée à la transformée en ondelettes. La réponse en ondelettes issue des données sismiques acquises par SYSIF est altérée par des distorsions induites par la source sismique. Deux méthodes de correction de ces distorsions sont développées. Une première, empirique, s’appuie sur la transformée en ondelettes de la source sismique. La seconde exploite les propriétés des fonctions Lévy-alpha stables pour obtenir une famille d’ondelettes effectives dilatées capable d’analyser directement la fonction de Green du milieu. Cette dernière approche est similaire à celle utilisée dans l’analyse multiéchelle des champs de potentiel reposant sur le semi-groupe de Poisson. Dans le cadre des données sismiques de SYSIF, des dérivées de gaussienne sont utilisées et permettent de fusionner les informations provenant des deux sources afin d’obtenir une réponse en ondelettes dans la gamme [220-2200 Hz]. L’exploitation de la réponse en ondelettes aboutit à l’introduction de nouveaux attributs sismiques qualifiés de multiéchelles. Ces attributs sont les lignes d’extrema de la réponse en ondelettes qui constituent un support compact de l’information multiéchelle et qui permettent decaractériser la complexité des réflecteurs sismiques ainsi que leur taille caractéristique quand elle existe (entre [24 − 115 cm] pour les sources SYSIF). Les développements théoriques associés à ces nouveaux attributs sont illustrés par une étude de cas associant mesures sismiques et mesures in situ démontrant la validité et le potentiel de cette approche. Des axes de recherche portant sur l’optimisation du traitement de la source à l’aide des dérivées non-entières ou encore la détermination de l’impédance acoustique par transformée en ondelettes inverse sont explorés. Ainsi, une première application de la transformée inverse de la réponse en ondelettes associée aux données SYSIF permet de reconstruire un profil d’impédance avec une résolution de 25 cm.

High Resolution marine seismic is a common tool to indirectly study the fine scale structures of the sub-seabed and its related geohazards. In water depths, ranging from the continental slope to deep oceanic basin, high resolution seismic imaging cannot be achieved with conventional near-surface system due to a number of shortcomings. Since the 90s, the acquisition strategy has therefore striven for lowering both seismic sources and receivers close to the seafloor. Ifremer has recently developed a deeptowed seismic system (SYSIF), based on piezoelectric transducer technology and dedicated to the study of superficial sediments up to 6000 m water depth. Our objective is to achieve seismic imaging and seismic characterization at small scales consistent with the accuracy of in situ geotechnical measurements. We aim at improving the seismic resolution of the deep-towed seismic data and proposing quantitative methods for the characterization of the sediments properties. The processing sequence of SYSIF data was first optimized by introducing the source signature deconvolution. We improve the vertical resolution by a factor 2 and reach 1 m and. 5 m resolution for the frequency ranges [220-1050 Hz] and [580-2200 Hz] respectively. In order to improve the lateral resolution, we assess the multioffset seismic imaging by setting up an experience based on the SYSIF source [220- 1050 Hz] and Ocean Bottom Hydrophones (OBHs). Such an acquisition requires precise positioning (which is achieved through acoustic relocation of sources and receivers) and the development of velocity analysis, processing and imaging methods suited to the acquisition geometry. We present a first application of this approach, performed during the ERIG3D cruise on a buried Mass transport Complex offshore Nigeria. The final seismic imaging has a 2. 5 m lateral resolution and demonstrates the feasibility of a high resolution depth imaging in deep-sea based on deep-towed seismic source. The former results allowed the development of a multichannel high resolution streamer to be started by Ifremer. To further improve the vertical resolution and to characterize the small scales structures of reflectors, we develop a multiscale analysis of deep-towed seismic data. This analysis relies on the wavelet response closely related to the continuous wavelet transform. The application of the wavelet response to broadband seismic data suffers from distortions generated by the bandpass filter effect of the seismic source. Two approaches have been proposed to account for these distortions. A first empirical approach is based on the wavelet transform of the seismic source. The second approach takes advantages of the properties of Lévy alpha-stable functions to obtain a family of effective dilated wavelets that enables the direct analysis of the medium’s Green functions. For the application on SYSIF data, gaussian derivatives are used which enable to merge information provided by both SYSIF sources (High and Very High Resolution) to obtain a wavelet response in the frequency range [220-2200 Hz]. We introduce new seismic attributes related to the wavelet response. These attributes are ridge functions of the wavelet response which constitute a sparse support of the multiscale information. Ridge function is an effective tool to characterize seismic reflector’s complexity and allow the determination of their characteristic size (in the range [24-115 cm] for SYSIF sources). Theoretical developments related to these new seismic attributes are applied on a case study associating seismic and ground truth data which enables to demonstrate the potential of the approach. Finally, we explore both the optimization of the source processing based on the fractional derivatives of the most adapted Lévy alpha-stable function and the acoustic impedance determination based on the inverse continuous wavelet transform. Thus, a first application of the inverse transform of the wavelet response related to SYSIF data provides an impedance profile with a vertical resolution of 25 cm.