Prospection sismique marine

La prospection sismique marine est une méthode de recherche du pétrole, basée sur l’étude des ondes sismiques selon la nature des roches qu’elles traversent.

Une naissance liée au pétrole

C’est vers la fin des années 1930 que l’on commence à voir apparaître les premières campagnes de prospection sismique marine dans la Manche et au large du New-Jersey. À cette époque les systèmes d’acquisition étaient composés d'un ou plusieurs hydrophones, attachés à un câble, qui récupéraient les ondes émises par les explosifs servant de source sismique.

Au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, avec l’essor du pétrole off-shore et de l’informatique, les techniques et les méthodes d’acquisition et de traitement de données vont très vite évoluer. Ainsi on voit apparaître des navires tractant jusqu’à douze flûtes sismiques parallèles de 6 à 8 km de long. La source sismique est devenue un ensemble de canons à air qui émettent une onde de pression à des cadences élevées (de l'ordre de 5 secondes).

De nos jours il existe plusieurs méthodes et appareils de prospection sismique permettant ainsi de répondre aux besoins de la recherche et aux différentes situations (profondeur d’eau, de pénétration et résolution).

Les différents types d’appareils

Rappels sur les ondes sismiques

Les ondes sismiques sont des ondes élastiques qui peuvent traverser un milieu sans le modifier. L'impulsion de départ va entraîner les particules élémentaires présentes dans le milieu, qui vont pousser d'autres particules avant de reprendre leur place, se propageant suivant une réaction en chaîne.

Celles utilisées dans la prospection sismique sont des ondes de volume. Leur vitesse de propagation dépend du matériau traversé et, d'une manière générale, cette dernière augmente avec la profondeur car le matériau traversé devient plus dense.

On distingue :

• Les ondes P ou ondes primaires appelées aussi ondes de compression ou ondes longitudinales. Le déplacement du sol qui accompagne leur passage se fait par des dilatations et des compressions successives. Elles se déplacent parallèlement à la direction de propagation de l'onde. Ce sont les plus rapides et donc les premières à être enregistrées sur les sismogrammes.
• Les ondes S ou ondes secondaires appelées aussi ondes de cisaillement ou ondes transversales. À leur passage, les mouvements du sol s'effectuent perpendiculairement au sens de propagation de l'onde. Ces ondes ont comme propriété importante de ne pas se propager dans les milieux liquides et donc dans l'eau.

Les ondes de volume se propagent un peu comme les rayons lumineux : elles peuvent être réfléchies ou réfractées, c'est-à-dire déviées à chaque changement de milieu. Elles peuvent ainsi suivre des trajets très complexes à l'intérieur de la Terre. Leur temps de parcours dépend de ce trajet.

La réfraction sismique

La réfraction sismique a pour but l’étude profonde du sous-sol marin, c'est-à-dire la croûte océanique. Chaque impulsion provoquée par une explosion permet de repérer des surfaces de discontinuité (au sens physique et non au sens géologique) séparant des roches dans lesquelles la célérité des ondes sismiques est différente. Les ondes qui atteignent l’une de ces limites sous l'angle d'incidence correspondant à la réfraction limite se propagent ensuite le long de cette interface qui leur sert de « guide d'onde », ce qui canalise leur énergie et leur permet de se propager plus loin. Ces ondes sont réfléchies ou réfractées lors des changements d'élasticité et/ou de densité aux frontières des couches géologiques et atteignent ainsi les différents capteurs disposés sur le sol (les OBS : Ocean Bottom Seismometer). Le traitement des données permet ainsi de déterminer les vitesses de propagation des ondes sismiques à travers les différentes couches de matériaux, ainsi que leur profondeur. Avec ce type de procédé on récupère les ondes de types S et P. Cependant les ondes S naissent lors de la conversion des ondes P au niveau des interfaces.

Le champ d'application de la réfraction sismique est, pour le génie civil ou pour la prospection minière, la recherche de la base des alluvions dans une vallée, pour la prospection pétrolière, la reconnaissance par points d'un socle cristallin et l'étude de l'épaisseur de la croûte terrestre à terre et en mer.

La réflexion sismique

La méthode de réflexion sismique est l'une des plus développées en géophysique, du fait de son utilisation à grande échelle pour la prospection de pétrole et de gaz naturel. Dans le cas de la recherche par exemple, la méthode reste la même mais les appareils et les paramètres doivent être ajustés pour permettre une plus grande résolution et une meilleure précision à des profondeurs plus faibles que pour la recherche d'hydrocarbures.

Le principe consiste à créer une onde acoustique à la surface et d'en mesurer numériquement l'écho à partir d'une série de capteurs sismiques également placés en surface. Les réflexions détectées seront causées par des changements de densité et de vitesse de propagation des ondes dans le milieu étudié. Les ondes de ce type ne se propagent pas le long des interfaces ; elles sont soit réfléchies, soit réfractées vers la discontinuité suivante.

La réflexion sismique est devenue l'approche fondamentale de toute étude géologique. Limitée pendant longtemps à la définition géométrique des couches du sous-sol, elle permet aujourd'hui, grâce au progrès et aux innovations techniques, une véritable radiographie du sous-sol ; elle a ainsi rendu possible une bonne appréciation de leur contenu en fluides notamment en gaz, de leur nature lithologique et, dans le cadre du concept en stratigraphie séquentielle, de leurs significations sédimentologique et paléogéographique. À ce titre, la sismique est devenue l'outil de base du sédimentologue.

La réfraction sismique présente plusieurs avantages sur la réflexion sismique : la pénétration est souvent supérieure et on mesure de façon fort précise certaines des vitesses de propagation. En revanche, elle présente des inconvénients assez graves : le nombre des surfaces que l'on peut détecter est toujours beaucoup plus faible qu'en réflexion sismique, et il faut souvent des charges assez fortes pour fournir au sol l'énergie suffisante pour une réception correcte des ondes après un parcours de plusieurs dizaines de kilomètres. De plus, la réfraction sismique ne fournit pas d'image du sous-sol.

C’est donc en fonction de ce que l’on cherche à observer que l’on va choisir sa méthode de prospection. Il faudra aussi trouver le bon compromis entre profondeur d’investigation et résolution verticale.