Géophysique marine

Le plateau de Géophysique marine comprends deux profileurs sismiques à très haute résolution (IKB Seistec et Echoes 5000), un récepteur GPS Topcon, un système d’acquisition et traitement Delph Seismic, un PC marinisé de terrain et un sonar bathymétrique monofaisceau (Tritech PA500).

Profileur sismique IKB Seistec (Fig. 1)

Fig. 1 – Vue générale du profileur IKB Seistec.
Le câble de 60 m enroulé permet d’éloigner le profileur du bruit du navire.
Fig. 2 – Profileur IKB Seistec en opération d’exploration sismique.
Une antenne GPS localisée au dessus du couple source-récepteur permet de géolocaliser avec précision les traces sismiques.

Le profileur IKB Seistec a été conçu par Peter Simpkin (Simpkin and Davis, 1993). Il comprend un catamaran équipé de deux flotteurs sur lequel sont montés, une source comprenant une plaque boomer (transducteur électro mécanique IKB Model-3B, Simpkin, 2005, Figs. 1 et 2), délivrant des signaux entre 1 et 10 kHz et une flute comprenant sept hydrophones, montée verticalement dans une parabole (Figs. 3a et b et 4).

Fig. 3a –Vue inférieure du profileur IKB Seistec montrant la plaque boomer (à gauche) et la parabole (à droite).
Fig. 3b – Vue inférieure du profileur IKB Seistec montrant la plaque boomer (premier plan) et la parabole (arrière plan).
Fig. 4 - Flute comprenant sept hydrophones, montée verticalement dans une parabole.

Cette géométrie d’acquisition permet d’assurer un très faible offset entre la source et le récepteur, autorisant ainsi la prospection dans des très faibles tranches d’eau (jusqu’à 1,5 - 1,8 m dans la pratique). La parabole permet d’atténuer les échos latéraux, l’onde directe et les multiples.

L’alimentation en énergie de la plaque Boomer est assurée par une source haute tension Energos (SIG) 50 ou 150 joules (Fig. 5 et 6) à laquelle on doit brancher un boitier anti retour également conçu par SIG (Fig. 5 et 6). La cadence de tir est typiquement de 0,5 à 0,25 secondes. La réception et le traitement des signaux analogiques sont réalisés par un ampli filtre (SPA-3a s/n 020, Fig. 5 et 6). Les signaux analogiques sont ensuite digitalisés par un PC terrain équipé du logiciel Delph Seismic Acquisition (Fig. 5 et 6).

L’IKB Seistec permet à la fois d’obtenir des images sismiques de très haute résolution dans des zones très peu profondes (Fig. 7), de réaliser des corrélations décimétriques avec des carottages sédimentaires (Fig. 8 et 9), de pénétrer dans des bancs de sable (Fig. 10) malgré la densité des sédiments.

Fig. 5 – Vue générale du matériel électronique embarqué pour la prospection sismique avec l’IKB Seistec.
De gauche à droite : le PC de terrain permettant de donner l’ordre de tir et permettant d’enregistrer numériquement les données sismiques géolocalisées ; le récepteur GPS Topcon (jaune) ; le PC portable de navigation ; l’ampli-fitre SPA-3a s/n 020 (bleu) ; la source haute tension Energos 50-150 J (jaune, blanc et bleu) ; le boitier anti-retour (gris).
Fig. 6 – Exemple de prospection avec l’IKB Seistec sur 2 zodiac montés à couple.
Ce type de prospection nécessite une source d’énergie importante avec un groupe électrogène de 6 kwa.
Fig. 7 – Exemple de profil sismique obtenu avec l’IKB Seistec dans moins de 2 m d’eau sur l’estran oriental de la Baie de Marennes-Oléron (Chaumillon et al., 2003).
Dans ce cas le multiple primaire dans l’eau est quasiment invisible.
Fig. 8 - Exemple de corrélation entre des données de carottages et un profil sismique obtenu avec l’IKB Seistec. (Allard et al., 2010).
Fig. 9 - Exemple de corrélation entre des données de carottages et un extrait de profil sismique obtenu avec l’IKB Seistec.
(Billeaud et al., 2005). La résolution des profils sismiques est excellente et permet de détecter des changement de granulométrie peu marqués, tels que des transitions entre des sables fins et des silts.
Fig. 10 - Exemple de profil sismique obtenu avec l’IKB Seistec et illustrant l’architecture interne dans un banc de sable (Chaumillon et al., 2008).

Profileur sismique Echoes 5000 (Fig. 11 et 12)

Fig. 11 – Vue générale du profileur Echoes 5000.
Fig. 12 – A droite : vue frontale du profileur Echoes 5000 montrant les 3 transducteurs à l’avant du « poisson ». A gauche : le câble electroporteur.

Le profileur Echoes 5000 a conçu par iXblue. Ce profileur utilise une source de type « chirp sonar », comprenant 3 transducteurs Janus Helmholtz
(Figs. 11, 12), avec des fréquences variant de 2 à 6 ou 2 à 8 kHz et centrées sur 5 kHz. Les récepteurs consistent en 3 hydrophones montés dans une flute courte et horizontales, sous deux ailerons stabilisateurs (Fig. 11). Sources et récepteurs sont montés sur un poisson de 1835 x 700 x 800 mm
 pour un poids dans l’air de 83 kg. Le poisson communique via un câble électro porteur (Fig. 12) avec une boite de pont (« black box », Fig. 13 et 14), elle même pilotée depuis un PC portable (Fig. 14). L’alimentation en énergie de la source est assurée par la boite de pont. La cadence de tir est typiquement inférieure à 0,5 secondes. La puissance et la spectre de la source peuvent être adaptés aux profondeurs d’investigations.

Les relativement petites dimensions de l’Echoes 5000 et ses faibles besoins en énergie permettent de n’utiliser q’un petit groupe électrogène de 2kwa et de réaliser des véritables prospections sismiques à partir de très petites embarcations (Fig. 15a et b) avec des pénétrations de plusieurs mètres à dizaines de mètres (Figs. 16 et 17).

Fig. 13 – Boite de pont de l’Echoes 5000 permettat de communique avec le poisson.
Fig. 14 – Vue générale du matériel électronique embarqué pour la prospection sismique avec l’Echoes 5000.
A gauche, en haut : le PC portable de navigation pour visualiser les trajets en temps réel ; A droite, en haut : le PC de terrain permettant de communiquer avec la boite de pont ; en bas : la boite de pont permettant l’alimentation et la communication avec le poisson
Fig. 15a et b - L’Echoes 5000 permet de réaliser des profils sismiques avec un matériel léger alimenté par un simple groupe électrogène de 2 kwa.
Des missions d’exploration avec un simple zodiac sont donc possibles.
Fig. 16 - Exemple de profil sismique obtenu avec l’Echoes 5000 (en bas à droite) dans le lac d’Allos (Alpes du Sud) (Wihlem et al., 2012).
Fig. 17 - Exemple de profil sismique obtenu avec l’Echoes 5000, dans le lac d’Allos (Brisset et al., 2014 ; Wihlem et al., 2012).

Sonar bathymétrique monofaisceau

Le sondeur utilisé au laboratoire est un Altimètre monofaisceau monofréquence : Tritech PA500. De conception simple et robuste, une simple alimentation 12v permet de mettre en marche l’instrument et d’obtenir une donnée brute. Sa fréquence de 500Khz permet de sonder entre 0.3 et 50m à une fréquence de 10 mesures par seconde.
 
Un GPS (Topcon Hiper Pro, SpectraPrecision SP80) est associé au sondeur et permet de positionner correctement la profondeur mesurée ainsi que corriger les variations d’altitudes du plan d’eau liées à la marée ou aux vagues.
 

Fig. 18 – le Tritech PA500, installé sur une potence amovible.
Le GPS est installé à la verticale du sondeur pour positionner les mesures.

Les données du sondeur et celles du GPS sont envoyées vers le logiciel de bathymétrie Hypack. Le module de post-traitement permet de modifier la valeur de célérité du son dans l’eau, éliminer les sondes aberrantes ou encore corriger les offsets d’installation.

Dans le mode d’acquisition des données couramment utilisée, la donnée GPS est post traitée via rtklib, puis combinée à la série temporelle du sondeur par recalage temporel sur matlab.

Fig. 14 – Le sondeur monofaisceau, suite à une interpolation sur Arcgis, permet de repérer le lit d’une rivière (à droite).
Sur un profil type, le sondeur monofaisceau met en évidence la migration d’une dune sous-marine (à gauche).
publie le vendredi 9 février 2018