Enjeux et problématiques en sciences de la mer et du littoral
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Enjeux et problématiques en sciences de la mer et du littoral Géosciences marines Jean-Yves Royer 5 octobre 2004 Master SML - IUEM Les domaines océaniques • Un enjeu économique • Un enjeu humain (risques naturels) • Un enjeu de recherche fondamentale Plan de l’exposé • Un domaine largement inexploré – Evolution de l’approche méthodologique • Un enjeu économique – Extension du plateau continental – Les hydrates de gaz • Quelques questions scientifiques majeures – Les mécanismes de rupture des continents – Le risque naturel (subduction) – Dynamique de l’accrétion océanique Un domaine encore inexploré Topography Mars Earth’s oceans today horizontal resolution 2 km 25 km vertical accuracy 1m 250 m Levés bathymétriques “classiques” Sondeur monofaisceau H=VxT/2 Majorité des sondages bathymétriques + Associés à une navigation céleste Levés bathymétriques multifaisceaux Sondeur multifaisceaux du N.O. Marion Dufresne Echosounder 5 x ~ 400 beams = 2000 pings 1 cycle every 20 s For H = 5000 m Covered area: ~ 25 x 0.5 km Resolution: 50 m bin Accuracy: < 1 m File size Bathymetry: ~ 4 Mb/hour Imagery: ~ 7 Mb/hour Survey 10-13 knots (19-24 km/h) ~1 month ~180 000 km2 surveyed ~size of G-B Island + navigation GPS Depuis 1980-1990 Couverture L limitée aux marges et aux dorsales d Données bathymétriques disponibles Exemple du sud-ouest Pacifique Banque de données NGDC Exemple du Sud-Ouest Pacifique D'après Sharman (2004) Exemple du Sud-Ouest Pacifique D'après Sharman (2004) Acoustic bathymetry is best, BUT… • Existing data are sparse and of poor quality – Gaps 105 km2 in area and 100’s of km in length – Majority of data in remote areas is pre-1967 and thus only celestially navigated & single beam – Data collection rates have declined since 1970s – Swath data only cover a few % of total and mostly on continental margins and mid-ocean ridge sites • Vehicles in water are slow and expensive – 1000 ship-years (10 G$) to do a complete survey See Sharman (2002 SIO workshop) and Smith (1993) L’altimétrie satellitale vient à la rescousse • Principe de la mesure • Avantages / inconvénients REFERENCE ELLIPSOID Mesure altimétrique Corr H Satellite altitude / sea surface 2-3 cm accuracy Hs Satellite altitude / reference ellipsoid 2-3 cm accuracy H Hs Hdt Hg Corrections : Corr instrument, ionosphere, atmosphere ... Hdt Dynamic ocean topography: tide, current, swell, waves … Hg Geoid height relative to ellipsoid Hg + Hdt = Hs - H - Corr “Noise” Le géoïde terrestre: reflet de la distribution des masses Profondes: > 200 km Superficielles: < 200 km => topographie des océans Geoid and ocean floor topography Smith (2002) Geoid is an equipotential surface Geoid reflects density distribution within the Earth from deep interior ( > 200 km) to seafloor topography Example: excess of mass caused by a seamount will deflect gravity Signatures du géoïde Royer et al. 1989 Exemple : Mont sous-marin de la ride de Louisville (SW Pacifique) Geoid = N dN Gravity = ----dz Hauteur H et Rayon R = 30 km prédits par l’altimétrie (Wessel & Lyons 1997) From Cazenave & Royer, 2001 TOPEX / POSEIDON 10 days cycle 314 km track spacing at Equator 66˚N 66˚S Densité des profils Durée des cycles 17 j. - 160 km 183 j. - 4 km 168 j. - 8 km 35 j. - 80 km Espacement à l’équateur Global gravity grid (2’=3.6km) Combines Geosat/GM, ERS1/GM and Topex data Sandwell & Smith 1997 - Cazenave et al. 1996 From gravity to bathymetry – assemble available ship soundings and construct a long- ( > 160 km) depth model – remove > 160 km from gravity grid – – – – downward continue gravity to mean ocean depth calibrate the topography-to-gravity ratio along ship tracks multiply residual gravity by calibration factor restore long- depth grid. from Sandwell 2002 Global predicted topography grid (2’=3.6km) Combines reliable ship-borne data with global gravity (+30” grid on land) Smith & Sandwell 1997 Advantages and limitations of satellite-altimetry for mapping the sea-floor Fast (1-2 years mission) Global and uniform coverage “Cheaper” than global bathymetric surveys Increasing accuracy Does not resolve < 20 km Waves and coastal tide errors Poor E-W resolution near Equator Still no data above Arctic (>82˚N) Oceanographers and SAR community are not very supportive for geodetic missions (i.e. non-repeat orbits) Un enjeu économique • Extension des Z.E.E. et plateau continental – Convention des Nations Unies sur le Droit de la Mer (UNCLOS) – Critères géologiques • Des ressources minérales inexploitées – Les hydrates de gaz Extension du plateau continental Quelques définitions • Géologique Trait de côte Plateau continental Talus Glacis Plaine abyssale – – – – – Trait de côte Plateau continental Talus Glacis Plaine abyssale • Juridique Ligne de base Mer territoriale Zone contiguë Zone Economique Exclusive 200 mn Haute mer Plusieurs critères – – – – – – Ligne de base Mer territoriale Zone contiguë Zone Economique Exclusive Haute mer Plateau continental juridique • Article 76 de l’UNCLOS Plateau Plateau continental continental juridique Zone internat. – La zone internationale Extension possible: ~106 km2 [métropole = 500.000 km2] ZEE française ~ 107 km2 2ème mondiale en superficie Limite des 200 milles EXTRAPLAC Extension Raisonnée du Plateau Continental • Programme National • Comité de pilotage (MAE, Budget, Industrie, Outre-mer, Recherche, Défense, SGMer) • Utilisation des moyens nationaux • Maître d’œuvre : Ifremer • Partenariat avec l’IFP et le SHOM • Convention avec le Ministère de l’Industrie • Budget 15 M (2003-2009) • A comparer avec Canada 55 M, Danemark 18 M • Dossiers à déposer avant 2009 • Russie (2003) - Brésil, Australie (2004) - Irlande (2005) té yau Lo es ed Rid s olk orf eN ed Rid ~75 000 km2 Bassin sud-fidjien Zon ed e fr act ure CO Ride des OK Trois Rois Campagne NOUCAPLAC-1 • Objectifs appliqués – Démontrer la prolongation naturelle des rides de Norfolk et des Loyautés – Localiser le pied de talus • Objectifs scientifiques – Liaison entre les bassins Sud-Fidjien et Norfolk – Structure et évolution du bassin Sud-Fidjien • Travaux réalisés (août 2004): – Bathymétrie multifaisceaux – Sismique rapide – Magnétisme et Gravimétrie Plan de navigation Noucaplac-1 N. O. L’Atalante - août 2004 Bathymétrie ombrée Sondeur EM12 Campagne de 12 jours ~5000 km de profils 70 000 km2 couverts Vue en perspective N Les hydrates de gaz • Un enjeu en terme de – Climat – Risque naturel – Ressources Les hydrates de gaz • Glace + CH4 1m Les hydrates de gaz • Quasiment sur toutes les marges “grasses”, passives et actives Chapman et al., 2004 Les hydrates de gaz • Méthodes d’exploration – Sismique réflexion Haute résolution 3D – Sismomètres fond de mer Ocean Bottom Seismometer = OBS Les hydrates de gaz • BSR = Bottom Simulating Reflector Source HYDRATECH Modèle d’amincissement d’une lithosphère continentale Exhumation du manteau Brun & Beslier 1996 Modèle de formation de la marge Ibérique – Modèle mécanique – Est-ce un modèle général ? – Quelle quantité d’étirement estelle nécessaire ? Coupe synthétique de la marge Ibérique [Beslier et al. 1995] S Comparaison avec une coupe de la marge marocaine Campagne SISMAR (2002) MicrOBS = micro ocean bottom seismometer Coupe de la marge marocaine Modèle pour la marge marocaine Sismique verticale + sismique grand-angle Croûte Océanique Pas d’exhumation du manteau ? Croûte continentale La marge algérienne • Une marge passive … … reprise en compression Campagne Maradja N.O. Le Suroît 21 Août – 18 Septembre 2003 Séisme de Boumerdès 21 mai 2003 Modèle numérique de terrain (50m) Piggy back basin Bassin perché Profil de sismique réflexion (6 traces) 10 km Section P1 Piggy-back basin Exagération verticale : 4 Pli actif en « rollover » « Ecaillage » Décollement NW Alger: faille de Khair-Al-Din Schéma structural Mise en évidence - de nombreuses failles de chevauchements associées à des plissements en pied de marge - et d’effondrements gravitaires Risque naturel associé aux frontières en convergence: les zones de subduction Risque sismique dans le monde Les 10 plus grands séismes du vingtième siècle 1. Chili 05/22/1960 - Mw 9.5 2. Alaska 03/28/1964 - Mw 9.2 3. Russie 11/04/1952 - Mw 9.0 4. Equateur 01/31/1906 - Mw 8.8 5. Alaska 03/09/1957 - Mw 8.8 6. Iles Kuriles 11/06/1958 - Mw 8.7 7. Alaska 02/04/1965 - Mw 8.7 8. Inde 08/15/1950 - Mw 8.6 9. Argentine 11/11/1922 - Mw 8.5 10. Indonésie 02/01/1938 - Mw 8.5 Distribution des séismes Les séismes de subduction • Les séismes interplaques contrôlés par la T Identification des zones de rupture et de lacune sismique Séisme du 22 janvier 2003, Mw = 7.8, L = 80 km Déformations intersismiques et cosismiques en zone de subduction • Les séismes se produisent suivant des cycles Projets d’observatoires fond de mer permanents • NEPTUNE (USA) • VENUS (Canada) Marge des Cascades – Observation continue de la sismicité, des déplacements, des émissions de fluides (+ nombreux autres paramètres dans le domaine de l’océanographie et de la biologie) – Déploiement d’un réseau de capteurs câblés – Financement de Venus dés 2005 (première étape du projet proche des côtes) Le projet Nantroseize (Japon, IODP) • Forage de la zone sismogène de la fosse de Nankai (2007) • Installation de capteurs pour l’observation des fluides, des déformations, … Déformation de la lithosphère océanique hors zones de subduction • Exemple de l’océan Indien oriental – Sismicité intense – Flambage de la lithosphère – Chevauchements crustaux Flambage + chevauchements récurrents + Krishna et al., 2003 Observatoire sismologique fond de mer Flotteur ~ 800 - 1000 m ~ 40 m Hydrophone autonome Canal SOFAR ~ 3000 – 4000 m selon profondeur Largueur acoustique Lest perdu Réseau d’hydrophones Projet NERO Dynamique de l’accrétion océanique Cormier et al., 2001 Sonar : 20m au dessus du fond Fauchée de ~40m Pixel: 2 x 5 m 8 plongées 3.3 km2 Cormier et al., 2001 Bathymétrie près du fond • ABE : Autonomous Benthic Explorer (AUV) – 680 kg - 2m de long – 0.75 m/s Apport de la micro-bathymétrie Dorsale est-Pacifique Dorsale Juan de Fuca volcanisme tectonique Cormier et al., 2001 Cormier 2001 Apport de la micro-bathymétrie ! • Identification des structures (répartition, géométrie) • Quantification des failles et des fissures • Identifications des coulées de laves (et datation) • Etude des relations entre fracturation, volcanisme, et activité hydrothermale évolution dans le temps => mesures répétées dans le temps et observatoires fond de mer MOMAR = “Monitoring the Mid-Atlantic Ridge” Etude des processus actifs à l’axe des dorsales chantier: dorsale Atlantique près des Açores – écosystèmes des sources hydrothermales – dynamique des circulations hydrothermales – dynamique du manteau et des magmas, volcanologie & tectonique Vent scale Multidisciplinaire Multi-échelles Coordonné via InterRidge Ridge segment scale Regional scale Effort européen Mars 2004 : Chantier dorsale lente de Ridge Messages à retenir • Enjeux appliqués et fondamentaux sont fortement couplés • Approche méthodologique évolue – Intégration de données à différentes échelles techniques spatiales, de surface, proches du fond – Imagerie essentielle (dans les 3 dimensions) pour comprendre les processus – Nécessité d’observations répétées ou permanentes fond de mer pour accéder à la dynamique des processus Les géosciences marines à Brest • Domaines Océaniques – Unité Mixte de Recherche UBO/CNRS • Géosciences Marines – Dpt de recherche océanographique d’Ifremer Domaines océaniques • Un laboratoire pluri-disciplinaire – – – – – Géophysique Géologie structurale Sédimentologie Pétro-géochimie Paléontologie • Un laboratoire de ~70 personnes – 34 chercheurs et enseignants-chercheurs – 18 techniciens – ~20 doctorants, post-doctorants, visiteurs Thématiques • Tectonique active sur les rifts et les dorsales océaniques – Dynamique de l’accrétion – Rifts actifs continentaux • Phénomènes mantelliques et leur impact sur la lithosphère – Structure de la lithosphère et du manteau – Interactions lithosphère-asthénosphère • Le système marge – Architecture 4D des marges passives – Message sédimentaire et paléontologique Processus actifs de l’accrétion Système marge -tectonique active -dynamique du manteau -pétro-géochimie -tectonique/climat/eustatisme -processus sédimentaires -structure profonde Açores EPR Processus du rifting Medit. Baikal MAR -sismo-tectonique -morpho-structure -pétro-géochimie -cinématique Rift Est-Africain Foundation HP Society Is Interactions asthenosphère-lithosphère -interactions points chauds - dorsales -interactions points chauds - domaine intraplaque -géochimie des points chauds SEIR- St Paul HP Objectif à long terme : Observatoire fond de mer Site MOMAR près des Açores Initiative européenne DRO/Géosciences marines • Trois équipes de recherche (~40 p.) – Laboratoire de géophysique et géodynamique – Laboratoire de géochimie et métallogénie – Laboratoire des environnements sédimentaires • Deux groupes de soutien (~20 p.) – Cartographie, traitement de données – Instrumentation Thématiques • Structure et géodynamique des marges continentales • Formation des corps sédimentaires détritiques et genèse des bassins sédimentaires • Migration des fluides et hydrates de gaz • Transferts de matière et d'énergie entre manteau, croûte océanique et hydrosphère au niveau des dorsales médio-océaniques Travaux et chantiers en Cours Département de Géosciences Marines Dorsales Marges ZEE Une version imprimable de cette présentation sera mise en ligne sur: http://www-sdt.univ-brest.fr (rubrique enseignement) Avec la collaboration de : W. Roest, J. Deverchère, P. Gente, M.-A. Gutscher Glossaire • • • • • • La structure de la terre peut être décrite en termes de composition: croûte, manteau, noyau et graine ou en termes de comportement mécanique: lithosphère (rigide), asthènosphère (ductile), mésophère (moins ductile), noyau (liquide), graine (solide) La lithosphère constitue les plaques rigides qui se déplacent les unes par rapport aux autres; épaisses d’environ 100km, elles sont composées de croûte, océanique (~8km, volcanique) et/ou continentale (~30km, granitique) et de manteau supérieure (péridotite). La plaque africaine comporte par exemple une partie continentale et une partie océanique; la plaque pacifique est uniquement océanique. Les plaques reposent sur l’asthènosphère (du grec “sans résistance”), de même composition que le manteau. Les marges passives sont le lieu de transition entre croûte océanique et croûte continentale. Elles se forment lors de la rupture de la lithosphère continentale, lorsque celle-ci est soumise à une extension horizontale. Le rift continental est le lieu où la déchirure continentale se produit; la rupture achevée se met en place une dorsale océanique où se forment la croûte et la lithosphère océanique. Les dorsales océaniques sont des frontières actives (volcaniques) divergentes, où les plaques se séparent. Les marges actives sont le lieu d’affrontement ou de collision entre plaques. Cet affrontement peut se produire entre plaques océaniques, l’une (la plus vieille) passant en subduction sous l’autre, entre plaque océanique et plaque continentale, la plaque océanique plus dense passe sous la plaque continentale, et entre plaques continentales, donnant lieu à la formation de chaînes de montagne. Les zones de subduction sont le lieu où la lithosphère est détruite et recyclée dans le manteau. Ductile = déformable, malléable par opposition à fragile = cassant. La lithosphère rigide comporte des niveaux fragiles et des niveaux ductiles qui déterminent son comportement rhéologique (mécanique) lorsqu’elle est soumise à des contraintes.
