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 com-
préhension de nombreux processus géodynamiques, sur les marges continentales et dans les bassins océaniques, impli-
quent 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 (sismo-
mètre 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 (CMG-
40T, 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 ma-
tériel une grande partie de l’année).
Le présent dossier propose la construction de 12 OBS sup-
plémentaires (6 courte période et 6 large bande) pour un coût
total de 330 k.
Introduction
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 dra-
matique 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 sub-
duction qui n’ont pas été affectées récemment, ni même quel-
quefois historiquement par de très grands séismes : la subduc-
tion des Antilles, la subduction hellénique, la subduction an-
dine 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.
Déploiement d’un OBS Hippocampe (version immer-
sion longue) depuis l’Atalante. Le capteur déporté sera
déployé
su
r
le
fond.

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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 com-
munauté 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 ré-
cemment les répliques d’un séisme de magni-
tude 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 pro-
fondeur de 15 km.
Par ailleurs la pente continentale est entaillée
de nombreuses vallées et chenaux qui tradui-
sent l’existence de transfert sédimentaire vers
le bassin océanique. Nombre de ces évène-
ments 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, de-
puis 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 pre-
mier observatoire environnemental fond de mer câblé, temps réel qui a débuté en avril 2005 par l’installation d’un sis-
momètre 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 euro-
péen 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 promet-
teur 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 (down-
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.

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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 peut-
être détectable en Vp/Vs par tomographie de séismes locaux, vitesses de réfraction et ondes converties à cause de la ser-
pentinisation, 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 mesura-
bles 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 at-
tendus donne par ailleurs l'occasion de les soumettre à une surveillance focalisée, ciblée rapprochée. La répétition d'ob-
servations par rapport à une première mesure de référence offre la possibilité de détecter d'éventuels phénomènes transi-
toires, 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 terre-
mer 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.
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 glisse-
ments 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 sismo-
logiques 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 aspé-
rités 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.
Enregistrement d’un séisme local sur un OBS
lar
g
e-bande du réseau Esmeraldas

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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 li-
mite inférieure du la zone sismogène ;
• la distribution des vitesses dans chaque seg-
ment 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 subsur-
face des failles actives, fournira une dimension dyna-
mique nécessaire à l’évaluation de l’aléa sismique. En
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 ».
Enregistrement d’un séisme de magnitude 6.9 sur un
OBS lar
g
e-bande du réseau Esmeraldas.
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.

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Les OBS Hippocampe
Caractéristiques des OBS Hippocampe
OBS HIPPOCAMPE - GÉOSCIENCES AZUR
Capteurs déportés • 3 géophones 4,5 nivelés dans bain d’huile
• 3 composantes à longue période type CMG-40T nivelées
• hydrophone Hightech 1 Hz
Bande passante • 4,5 - 100 Hz (géophone)
• 0,033 Hz à 100 Hz (sismomètre CMG-40T)
Analogique/Digital • 24 bits – grande dynamique et grande flexibilité d’échantillonnage
Pas d'échantillonnage • 1 à 255 ms par pas de 1 ms
Nombre de voies • de 1 à 4 ou de 1 à 8 selon version
Précision de l'horloge • 1 horloge Seascan haute précision, dérive 2 10-8
• synchronisation GPS pré et post-opératoire
Positionnement de l’OBS • 10 m, par analyse des ondes dans l'eau de tirs de surface
• par triangulation acoustique (12 kHz)
Orientation de l’OBS • 1° par analyse a posteriori des ondes dans l'eau de tirs de surface
• magnétomètre triaxial et tiltmètre optionnel (Guralp CMG-40T)
Processeur • 1 CPU Persistor CF1, CF2
Stockage temporaire des données • 128 Mo carte mémoire flash
Mode d'acquisition • Continue
Acquisition
Stockage
• 40 Go IDE (interface USB2.0 pour relecture à travers la sphère)
• 2 Go (capacité > possible ) carte mémoire « flash »
Consommation
Autonomie
• ~500 mW pour 4 canaux à 200 échantillons par seconde
• 6-10 mois en acquisition continue
Énergie • 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 étanche 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)
Poids • 100 kg à la mise à l’eau ; 45 kg à la récupération
Profondeur maximale • 7 km
Méthode de récupération Commandes de libération
• acoustique Rx/Tx (2 voies codées avec transducteur et mesure de dis-
tance)
• 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
Coût de construction • 20 k pour la version équipée de géophones 4,5 Hz
• 37 k pour la version équipée d’un sismomètre Guralp CMG40T
Coût de mise en œuvre • 1500  pour un déploiement de 1 mois
• 350  par déploiement supplémentaire
• 10 à 15 k pour un déploiement d’une année
Assurance • 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.