Le parc OBS « Hippocampe » de Géosciences Azur

Le parc OBS « Hippocampe » de Géosciences Azur
Résumé de la demande
Les objectifs scientifiques actuels, en particulier ceux qui sont liés à l’évaluation des risques naturels comme à la compréhension de nombreux processus géodynamiques, sur les marges continentales et dans les bassins océaniques, impliquent l’obtention d’images sismiques de haute résolution et dans les zones actives la caractérisation de l'état de
contrainte par la sismicité associée. Ceci est rendu possible par l’évolution technologique récente qui permet la mise en
œuvre d’un nombre toujours croissant de stations sismiques tant à terre qu’en mer à la fois pour des opérations
d’imagerie sismique et pour des campagnes plus longues d’enregistrement de la sismicité (localisation et tomographie
passive).
L’équipe Geomer de Géosciences Azur dispose d’une solide expérience dans le développement, la mise en œuvre d’OBS
ainsi que la valorisation des données, enrichie par les apports théoriques et géologiques des autres composantes du
laboratoire. Depuis 3 ans, nous avons développé une nouvelle génération d’OBS équipée de différents capteurs (sismomètre 3 composantes déporté, hydrophone,…) ayant une autonomie suffisante pour mener des opérations combinées
terrestres et marines de plusieurs mois. Ce parc de 20 OBS, dont 10 sont équipés de sismomètres large-bande (CMG40T, 40sec) a été déployé de mars à juin 2005 sur la marge d’Équateur et le sera fin 2005 sur la zone de subduction des
Antilles.
Ce parc, principalement financé par l’IRD, vient en complément des parcs OBS courte période de l’IFREMER et de
l’INSU, qui seront complétés par des OBS très large bande (trillium 120 secondes), afin de constituer un parc national
permettant en particulier l’imagerie des structures lithosphériques (enregistrement de tirs sismiques sur des géophones
courte-période ou des hydrophones) et du manteau (capteurs large-bande). Le parc OBS de Géosciences Azur composés
d’OBS légers, systématiquement équipés de capteurs à 3 composantes nivelées (plus un hydrophone), et déportés est
délibérément orienté vers une utilisation pour l’enregistrement de la sismicité dans les zones de marge active dans le
cadre d’opérations conduites simultanément à terre et en mer tout en permettant de réaliser également des expériences
d’imagerie des structures lithosphériques.
Pour répondre aux demandes de la communauté, il est nécessaire de disposer d’un parc de ce type d’OBS en nombre
suffisant pour mener simultanément plusieurs opérations
(celles-ci de plusieurs mois d’immersion immobilisent le matériel une grande partie de l’année).
Le présent dossier propose la construction de 12 OBS supplémentaires (6 courte période et 6 large bande) pour un coût
total de 330 k.
Introduction
Déploiement d’un OBS Hippocampe (version immersion longue) depuis l’Atalante. Le capteur déporté sera
déployé sur le fond.
Une grande partie de la sismicité mondiale est localisée en
bordure des continents le long des marges continentales
convergentes comme la côte Pacifique d’Amérique du Chili à
l’Alaska, le Japon ou les Philippines. Le séisme de Sumatra le
26 décembre 2004 (M = 9) est venu nous rappeler que les
séismes de subduction, par leur magnitude, leur localisation et
les éventuels tsunamis associés, peuvent avoir un impact dramatique sur les populations côtières (plus de 230 000 morts à
Sumatra au voisinage de l’épicentre et plus de 50 000 morts en
relation avec les tsunamis qui ont frappé les marges de
l’Océan Indien). Cet événement dramatique doit nous inciter à
poursuivre et à intensifier les travaux que plusieurs groupes
mènent sur les zones de subduction et leur dynamique dans
l’Océan Indien mais aussi et surtout dans des zones de subduction qui n’ont pas été affectées récemment, ni même quelquefois historiquement par de très grands séismes : la subduction des Antilles, la subduction hellénique, la subduction andine et les subductions du Pacifique sud-ouest. Toutes ces
zones pour des raisons scientifiques, mais aussi quelques fois
politiques (présence de territoires français) ont fait l’objet de
travaux des équipes françaises.
Les objectifs scientifiques
Les OBS sont principalement utilisés pour l’imagerie de la lithosphère et du manteau et l’étude des zones actives. Les
zones de subduction, génératrice des séismes les plus destructeurs, sont l’une des cibles principales d’étude de la communauté afin d’approcher la compréhension du cycle sismique, des séismes « lents » (ou silencieux) et des relations entre
sismicité et structure (chantiers Antilles, Méditerranée orientale, marge andine, subduction indonésienne).
La collision à l’échelle du bassin méditerranéen provoque la reprise en compression des marges du bassin (par exemple
la marge algérienne mais aussi la marge Ligure) avec localement des mouvements transpressifs (faille nord-anatolienne,
mer de Marmara) et extensif (Golfe de Corinthe, mer Égée). Quelques projets scientifiques représentatifs sont décrits
dans les paragraphes ci-dessous.
Les principaux programmes des sciences de la terre qui ont été concernés dans le passé sont DyETI, le GDR Marges,
l’ACI « Aléas naturels » et maintenant bien sûr l’appel d’offre « Catastrophes telluriques et tsunamis » de l’ANR.
Projet Rosmarin d’observation de la sismicité en mer Ligure
Les Alpes du Sud, à cheval sur le sud-est de
la France et la Ligurie italienne, sont affectées
d’une sismicité assez diffuse à terre et en mer.
Les principaux séismes historiques qui ont
affecté la marge Ligure, en 1887 (magnitude
évaluée à 6,4), au large d’Imperia, et en 1963
(Ml = 6,0), sont assez mal connus. Plus récemment les répliques d’un séisme de magnitude 4,5 ont été enregistrées en 2001 au large
de Nice par un réseau de stations terrestres et
marines de Géosciences Azur. Il correspond à
un accident compressif localisé au pied de la
marge, à environ 20 km de la côte, à une profondeur de 15 km.
Enregistrement du séisme Ligure de 2001 sur un OBS équipé de
capteur 4,5 Hz. On remarque une phase convertie sous l’instrument
entre les phases P et S.
Par ailleurs la pente continentale est entaillée
de nombreuses vallées et chenaux qui traduisent l’existence de transfert sédimentaire vers
le bassin océanique. Nombre de ces évènements sont des glissements de terrains dont
certains, comme celui de 1979 qui a entraîné
l’effondrement d’une partie de l’aéroport Nice
en construction, ont pu être catastrophiques.
À terre, il existe plusieurs réseaux permanents de surveillance sismologique à terre. En mer, Géosciences Azur a, depuis quelques années, développé une observation grâce au déploiement répété de sismomètres de fond de mer (OBS) qui
permet l’observation du mouvement du sol avec des capteurs 3 composantes sur des durées de plusieurs mois par an.
Le programme Rosmarin s’inscrit dans la phase préliminaire de la constitution d’un site de démonstration pour le premier observatoire environnemental fond de mer câblé, temps réel qui a débuté en avril 2005 par l’installation d’un sismomètre sous-marin très large bande (CMG-3T, 360 secondes) relié par câble au détecteur de neutrinos ANTARES,
installé à 7 km au large de Toulon par 2500 m de fond. Ce projet permettra à la communauté française (IN2P3 et SDU)
d’acquérir le savoir-faire et l'expérience dans la gestion d’un observatoire sous-marin et fera l’objet d’un dossier européen dans le cadre de l’appel d’offre du 7e PCRD.
La zone de subduction des Antilles
Les séismes majeurs attendus dans l’arc des Antilles sont ceux prenant naissance dans la zone de contact interplaque de
la subduction. Ce type de séismes est responsable de 90% de la libération d'énergie sismique sur Terre.
Un effort d'étude de séismes majeurs à l'interplaque de subduction avant leur occurrence est rendu opportun et prometteur à l'occasion de deux avancées scientifiques en cours sur ce sujet.
D'une part, le modèle de source sismique y est relativement simple et fait l'objet d'un développement conceptuel en
cours: la rupture le long d'une faille majeure qui est la frontière de plaque apparaît principalement contrôlée en taille et en
localisation par des anomalies de paramètres physiques in situ. Ainsi les limites de rupture amont (updip) et aval (down2
dip) sont contrôlés par la température, la ductilité, l'hydratation et la nature du matériel de la faille interplaque et de ses
épontes. La limite amont est susceptible de marquer en réflectivité sismique et en micro-sismicité, la limite aval est peutêtre détectable en Vp/Vs par tomographie de séismes locaux, vitesses de réfraction et ondes converties à cause de la serpentinisation, ou d'autres raisons liées à la ductilité. La troisième dimension, longueur de segmentation le long de l'arc
peut elle aussi être approchée par l'exploration sismique en profilant les variations de structure de l'interplaque le long de
l'arc.
D'autre part ces anomalies apparaissent au moins en grande partie pérennes et peuvent donc être détectables et mesurables en période intersismique, c’est-à-dire avant l'occurrence des séismes majeurs attendus. Cette étude peut s'appuyer sur
plusieurs méthodes. Celle qui en constitue la base et est la plus spécifique nécessite l'appréhension des séismes locaux
par la mise en œuvre de réseaux amphibies, comprenant des sismomètres fond de mer de caractéristiques particulières en
largeur de bande, en nombre de composantes et en maniabilité ; la résolution augmente avec le nombre de capteurs en
réseau possibles et donc grâce au coût réduit de l’instrumentation déployée.
On propose donc d'appliquer cette approche à l'étude anticipée des séismes majeurs de la subduction des Antilles, M8
type 1843. L'identification et la localisation à l'avance de la zone de rupture maximale possible des séismes majeurs attendus donne par ailleurs l'occasion de les soumettre à une surveillance focalisée, ciblée rapprochée. La répétition d'observations par rapport à une première mesure de référence offre la possibilité de détecter d'éventuels phénomènes transitoires, comme les variations de mécanismes ou de localisation de l'activation sismique avec le temps.
Un projet a été soumis à l’ANR et une campagne est programmée début 2007 dans le cadre d’une collaboration entre le
laboratoire de sismologie de l’IPG de Paris, Géosciences Azur et d’autres partenaires français et étrangers.
La marge Andes du Nord
Une connaissance approfondie de l’aléa lié aux séismes et aux
tsunamis implique une localisation précise de leurs sources, une
appréciation détaillée du champ de contraintes, de la géométrie,
de l’histoire et des propriétés physiques des failles et des milieux
qui contrôlent la rupture et sa propagation.
Géosciences Azur a développé depuis 2000 un chantier terremer sur la caractérisation de l’aléa sismique et gravitaire, le long
d’une zone de subduction remarquable: la marge nord-andine à
la frontière entre la Colombie et l’Équateur.
Enregistrement d’un séisme local sur un OBS
large-bande du réseau Esmeraldas
La zone de rupture du grand séisme de subduction de 1906
(Mw=8.8, 500 km de long) sur la marge nord Equateur-Sud
Colombie a été réactivée par 3 séismes de M>7.7 en 1942, 1958
et 1979, provoquant des tsunamis et probablement des glissements sous-marins. La disposition et la géométrie des zones de
rupture déduites de l’analyse des répliques et de la modélisation
des fonctions sources de ces séismes démontrent la présence de
barrières de rupture au sens de Aki (1979) et d’aspérités sismologiques au sens de Lay et al., (1982) et Kanamori and McNally,
(1982). La connaissance de la nature physique de ces barrières et
aspérités est fondamentale pour une meilleure évaluation de
l’aléa.
La campagne ESMERALDAS a pour objectif d’analyser la
distribution de la déformation cassante et sa répartition entre la plaque plongeante, le contact interplaque et la marge
chevauchante. Elle permettra de déterminer les hétérogénéités de vitesse associées aux accidents transverses et aux aspérités des grands séismes récents, la localisation précise de la sismicité par rapport au contact interplaque identifié sur les
images sismiques et l’approche des effets non linéaires (différence de comportement du sol entre mouvements de faible
amplitude et mouvements forts) à partir du réseau de stations sismologiques large-bande.
3
Nous avons pour cela effectué une campagne de sismologie conjointe active et passive, à terre et en mer.Un réseau
dense de stations, composé de 26 OBS et de 30 stations sismologiques terrestres, a été déployé pendant 4 mois afin
d’enregistrer les tirs de sismique marine, puis la sismicité naturelle, ceci afin de mener une tomographie conjointe active
et passive des temps d’arrivée.
L’ensemble des stations déployées sur le terrain et en
mer a permis d’enregistrer un ensemble de données
unique. En particulier les OBS Hippocampe développé
par Géosciences Azur et utilisés pour la première fois
dans une campagne de géophysique ont fonctionné à
100%.
Les données de tomographie acquises pendant
ESMERALDAS permettront de contraindre :
• la géométrie de la partie profonde (> 20km)
du contact interplaque,
• la localisation du Moho à la base de chaque
plaques en présence, en particulier la position
du coin mantélique qui limite souvent la limite inférieure du la zone sismogène ;
• la distribution des vitesses dans chaque segment de marge.
L’analyse des corrélations entre la distribution 3D de
la sismicité, le champ de contrainte, les failles imagées
par la sismique profonde et la cartographie de subsurface des failles actives, fournira une dimension dynaEnregistrement d’un séisme de magnitude 6.9 sur un
mique nécessaire à l’évaluation de l’aléa sismique. En
OBS large-bande du réseau Esmeraldas.
particulier, on précisera la relation entre l’aspérité
sismologique du séisme de 1979, l’anomalie positive de vitesse identifiée dans le segment de marge associé, et l’activité
tectonique des failles déformant ce segment.
Ce programme a fait l’objet du soutien du programme AdN de l’IRD, du programme DyETI et de l’ACI « Risques
Naturels ».
Exemple de section sismique obtenue sur la marge d’Équateur à l’aide de source sismique d’Ifremer (8 canons bolt 16
l). Les données sont seulement filtrées avec une bande passante 7-15 Hz.
4
Les OBS Hippocampe
Caractéristiques des OBS Hippocampe
OBS HIPPOCAMPE - GÉOSCIENCES AZUR
Capteurs déportés
•
•
•
Bande passante
Orientation de l’OBS
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Processeur
Stockage temporaire des données
Mode d'acquisition
Acquisition
Stockage
Consommation
Autonomie
Énergie
•
•
•
•
•
•
•
•
Analogique/Digital
Pas d'échantillonnage
Nombre de voies
Précision de l'horloge
Positionnement de l’OBS
•
Conteneur étanche
•
•
Poids
Profondeur maximale
Méthode de récupération
•
•
•
•
•
•
•
•
Coût de construction
Coût de mise en œuvre
Assurance
•
•
•
•
•
•
•
•
3 géophones 4,5 nivelés dans bain d’huile
3 composantes à longue période type CMG-40T nivelées
hydrophone Hightech 1 Hz
4,5 - 100 Hz (géophone)
0,033 Hz à 100 Hz (sismomètre CMG-40T)
24 bits – grande dynamique et grande flexibilité d’échantillonnage
1 à 255 ms par pas de 1 ms
de 1 à 4 ou de 1 à 8 selon version
1 horloge Seascan haute précision, dérive 2 10-8
synchronisation GPS pré et post-opératoire
10 m, par analyse des ondes dans l'eau de tirs de surface
par triangulation acoustique (12 kHz)
1° par analyse a posteriori des ondes dans l'eau de tirs de surface
magnétomètre triaxial et tiltmètre optionnel (Guralp CMG-40T)
1 CPU Persistor CF1, CF2
128 Mo carte mémoire flash
Continue
40 Go IDE (interface USB2.0 pour relecture à travers la sphère)
2 Go (capacité > possible ) carte mémoire « flash »
~500 mW pour 4 canaux à 200 échantillons par seconde
6-10 mois en acquisition continue
Variable suivant temps d’immersion ; pour 3 mois en continu :
12 piles taille DD et 50 taille AA
11 piles taille C lithium, 2 * 9V alcalines et 4 piles DD (Guralp)
Conteneur principal
Sphère en verre de 17 pouces de diamètre (432 mm).
une deuxième sphère permet d’augmenter la flottabilité et donc
l’autonomie de l’instrument.
Conteneur de capteur
Sphère en verre de 6 pouces de diamètre (150 mm)
100 kg à la mise à l’eau ; 45 kg à la récupération
7 km
Commandes de libération
acoustique Rx/Tx (2 voies codées avec transducteur et mesure de distance)
acoustique Rx (une voie via l’hydrophone)
libération de secours par horloge
Commandes de libération
largueur électromécanique
largueur mécanique par électrolyse d’un câble inox
Aides à la récupération
goniométrie par balise radio VHF interne
lampes flash internes
20 k pour la version équipée de géophones 4,5 Hz
37 k pour la version équipée d’un sismomètre Guralp CMG40T
1500 pour un déploiement de 1 mois
350 par déploiement supplémentaire
10 à 15 k pour un déploiement d’une année
2,5 %du coût d’un OBS par mois de déploiement
Le coût de fonctionnement et de maintenance
Au coût de fonctionnement, pris en charge dans le cadre du budget alloué au programme scientifique demandeur (cf.
tableau), il faut ajouter une maintenance annuelle (jouvence des sphères, des connecteurs, des balises, …) d’environ 1500
/an/OBS.
5
Les développements prévus autour des ces instruments
Dans le cadre du parc IHR un capteur à bande élargie de caractéristiques très voisines de celles du capteur CMG40T a
été obtenu avec un composant chinois ou
L22 Mark Product pour un prix inférieur
par la société Agecodagis. Il reste à fiabiliser la connaissance de la réponse instrumentale de cet instrument qui varie à chaque déploiement. Nous suivrons les développements de cet instrument, en particulier dans les équipes de Toulouse et du
LGIT et si possible nous en proposerons
une adaptation dans une sphère comme
alternative au capteur CMG-OBS40T.
OBS Hippocampe dans sa version grande autonomie (2 sphères) photographié lors d’un test dans la baie de Villefranche. Le double système de largage est visible sous l’instrument qui est ancré au fond par
un lest (non visible). Le capteur est encore fixé au bras (à gauche), il
sera ensuite déployé à quelques mètres de l’ancre.
Les chercheurs de Géosciences ont une
grande expérience de la gestion de campagnes de sismicité à terre et des outils nationaux développés autour des parcs de
sismologie
terrestres
(logiciels
d’exploitation des données du parc Lithoscope, gestionnaire de base de données
bd6). Ils s’efforceront, en concertation
avec les autres équipes françaises, de faire
développer des outils de gestion des données marines compatibles de façon à simplifier l’exploitation des campagnes terremer et à rendre les données publiques avec
le même standard.
Réseau national des parcs OBS Français
Le parc OBS français est réparti historiquement entre trois pôles: le pôle brestois (département Géosciences Marines de
l’IFREMER et l’UMR Domaines océaniques), le pôle parisien (UMR Géosciences Marines CNRS, IPGP) et le pôle
niçois (UMR Géosciences Azur CNRS, IRD, UNSA, UPMC). Afin de coordonner nos efforts une convention de coopération, permettant la mise en œuvre des trois réseaux OBS de façon coordonnée pour l’ensemble de la communauté est en
cours de rédaction avec les objectifs suivants :
• Mutualiser une partie du temps d’utilisation des OBS pour la communauté nationale ;
• Permettre la réalisation de campagnes en mer nécessitant un grand nombre d’instrument
~60 OBS disponibles au total ;
• Faciliter l’échange d’informations et de savoir-faire entre les différentes équipes.
Brève description des parcs existants
Parcs OBS
Type
d’instrument
Poids
Capteurs
Base de temps
Autonomie
Financements
Nombre OBS
Ingénieurs
Ifremer-UBO Brest
OBS GEOMAR
Micro-OBS
conception Ifremer
~250 kg
~15 kg
hydrophone, 3 géoHydrophone, 3 géophones 10 Hz
phones 10 Hz
Seascan ± 2.10-8
TCXO ± 10-7
20 à 30 jours
~10 jours
IFREMER
IFREMER, Région
15
20
2 ITA
Géosciences Azur -Nice
Géosciences Marines - Paris
Hippocampe
conception GéoAzur
~50 kg
Hydro., géophones 4,5 Hz
nivelés ou Guralp CMG-40T
Seascan ± 2.10-8
Jusqu’à 12 mois
IRD, CPER, INSU
20 hippo (+ 7 anciens)
3 ITA
L-Cheapo conception SIO
~100 kg
hydrophone + géophone 2 Hz
Seascan ± 2.10-8
Jusqu’à 12 mois
FNS, INSU
20 OBS
2 ITA
6
Les besoins de développement du parc d’OBS légers Hippocampe
Les principaux projets proposés impliquent la mise en œuvre de réseau à terre et en mer pendant des périodes de 3 à 6
mois, éventuellement renouvelable, afin d’avoir une observation continue sur des périodes suffisamment longues pour
caractériser la micro-sismicité dans les régions où la sismicité est faible (mer Ligure) ou en période inter-sismique (Antilles, marge nord andine). Des réseaux de 10 à 20 OBS sont donc immobilisés pendant des périodes de 6 à 12 mois pour
chaque opération si nous prenons en compte la phase d’immersion (3-6 mois), le temps nécessaire au transport et à la
préparation des OBS (~2 mois par campagne) et à la maintenance des OBS (1 mois minimum à l’issue de la campagne).
L’augmentation du nombre d’OBS de 12 unités permettra de :
• intervenir sur les différents chantiers prioritaires simultanément ;
• favoriser la possibilité d’intervenir à la suite de séismes majeurs comme cela aurait été souhaitable lors du
séisme des Saintes et du séisme de Sumatra (et cela même sans immobilisation permanente d’une partie du matériel)
• permettre des opérations exceptionnelles avec un grand nombre d’OBS (~100)
Les principaux laboratoires demandeurs
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Département Géosciences Marines (Ifremer, Brest)
Domaines Océaniques (UMR 6538, Brest)
Dynamique de la lithosphère (UMR 5573, Montpellier)
Géosciences Azur (UMR 6526, Nice)
Imagerie Géophysique (FRE 6539, Pau)
Laboratoire de Géologie de l’ENS (UMR 8538, Paris)
Laboratoire de géophysique interne et tectonophysique (5559, Grenoble)
Laboratoire de Géosciences Marines (UMR 7097, Paris)
Laboratoire de Sismologie de l’IPG (UMR 7580, Paris)
Laboratoire de tectonique (UMR 7072, Paris)
Une dizaine de laboratoires acquièrent ou utilisent des données de sismologie ou de sismique en mer. En 2005 deux
campagnes ont été réalisées : Esmeraldas (marge convergente d’Équateur, Géosciences Azur), Sismomar (dorsale médioatlantique, Géosciences Paris) et une campagne de sismologie au large de la Martinique est envisagée fin 2005 (moyens
propres, sismologie IPG et Géosciences Azur). Pour 2006 le programme prévoit la réalisation de campagnes dans le
Golfe d’Aden (Tectonique Paris), à Sumatra (Géosciences Marines, Paris), Sardinia (Marge Sarde, Ifremer) sur les navires des moyens nationaux. L’observation de la sismicité au large de la Martinique et en mer Ligure se poursuivra aussi en
2006.
De très nombreux dossiers et lettres d’intention ont été déposés pour mener des travaux sur les Antilles, la subduction
Hellénique, la zone de rupture du séisme de Sumatra, les marges algérienne, et Ligure, la ride des Mascareignes….
Le nombre de dossiers de campagne impliquant des OBS augmente de façon significative et surtout de nombreuses
campagnes envisagent le déploiement des instruments pour des périodes de plusieurs mois maintenant que cela est possible afin d’obtenir des enregistrements plus représentatifs de la sismicité naturelle.
Les moyens nécessaires à l’extension du parc OBS
Le coût d'un OBS complet hors capteur est de 20 k dans sa version courte période ou 37 k dans sa version largebande.
Nous proposons la construction d’un parc de 12 OBS supplémentaires (240 k) dont 6 avec des capteurs longue période (102 k) soit un total de 342 k.
Investissement acquis et demandés (rouge) en k
Financement
2001
2002
2003
2004
INSU
-
-
-
40
IRD
38
110
170
19
CPER PACA
-
-
72
Région PACA
-
-
Conseil général
-
Total
-
2005
Total obtenu
Demandé pour 2006
40
200
11
348
-
110
-
182
-
-
-
-
-
100
-
-
-
-
-
42
-
-
-
-
570
342
7