Rapport de stage de fin d'études : Traitement et interprétation des données sismiques au large de la Nouvelle-Calédonie.
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Rapport de stage de fin d’études :
Traitement et interprétation des données
sismiques au large de la Nouvelle-Calédonie.
Service géologique de la Nouvelle-Calédonie
DIMENC
Direction de l’Industrie des Mines et de l’Energie de Nouvelle-
Calédonie
Caroline JUAN
Polytech Paris – Spécialité Sciences de la Terre 5ème année
Dates du stage : du 12 mars au 7 septembre 2012
Maîtres de stage : Docteur Julien COLLOT Service Géologique de la Nouvelle-Calédonie DIMENC – 1 ter rue Unger, BP 465, 98845 Nouméa, Nouvelle-Calédonie Tél : (+687) 27 17 29 Email : julien.collot@gouv.nc & Docteur Pierrick Rouillard Programme ZoNéCo (Agence de développement économique de la Nouvelle-Calédonie) DIMENC – 1 ter rue Unger, BP 465, 98845 Nouméa, Nouvelle Calédonie Tél : (+687) 27 02 30 Email : pierrick.rouillard@gouv.nc Tuteur académique Professeur Roger GUERIN Université Pierre et Marie Curie-Paris 6 UMR 7619 Sisyphe, case courrier 105 4 place Jussieu, 75252 Paris cedex 05 Tél : 01 44 27 45 91 Email : roger.guerin@upmc.fr
Remerciements Ce stage à l’autre bout du monde a été pour moi l’occasion de découvrir de nouveaux horizons, une nouvelle façon de vivre et de travailler. Cette expérience extraordinaire n’aurait été possible sans la motivation et le soutien de certaines personnes que je tiens à remercier ici. Je tiens en premier lieu à remercier mes maîtres de stage, Julien COLLOT et Pierrick ROUILLARD pour avoir rendu ce stage possible. Merci de m’avoir fait partager votre passion de la géologie, du temps que vous m’avez consacré et des conseils que vous m’avez prodigués. Merci aussi à Martin PATRIAT de m’avoir offert la possibilité de faire ce stage au SGNC et pour tes bons conseils. Merci à la DIMENC et à Aurélien LOUIS et Jean LAURENT pour l’accueil qui m’a été réservé ; ainsi qu’à l’Université de Nouvelle-Calédonie et en particulier à Dominique CLUZEL de m’avoir permis de réaliser ce stage dans de si bonnes conditions. Ce stage a aussi été rendu possible grâce à la participation de l’Agence de Developpement Economique de la Calédonie (l’ADECAL), je voudrais donc remercier le programme ZoNéCo et en particulier Adrien RIVATON et Manuel DUCROCQ Merci à toute l’équipe du SGNC, à Myriam VENDE-LECLERC (Mimi) pour m’avoir initiée au logiciel Arcgis et m’en avoir fait découvrir les astuces, à Stéphane, Brice, Julie, Pierre mais également aux agents de la DIMENC pour la bonne ambiance que vous avez fait régner durant ces six mois de stage. La réussite de ce stage doit beaucoup au travail réalisé conjointement avec Bruno MARSSET et Yannick THOMAS de l’Ifremer à qui j’adresse un grand merci. Merci à Alex, d’avoir été là dès les débuts pour me faire découvrir la vie en Calédonie, à Julie, Gégé, Virginie, Justin et les autres… pour les sorties à la Bodéga et votre eternel soutien ! A Raymond et à toute l’équipe de l’Alis je tiens à adresser un grand merci pour m’avoir soutenue dans les moments les plus durs de la mission IPOD. Enfin, ce stage à l’autre bout du monde n’aurait été possible sans le soutien de ma famille et de mes amis restés en France. Un grand merci donc, à mes parents, Sophie, Ariane, Audrey, Valérie, Benj …
1
Sommaire
Introduction............................................................................................1
I) Contexte géologique du Sud-Ouest Pacifique ...................................5
I.1) Le structures géologiques du Sud-Ouest Pacifique ......................................................... 5
I.2) Les grandes phases tectoniques ....................................................................................... 8
I.2.a) Subduction Mésozoïque............................................................................................ 9
I.2 b) Rifting Crétacé (80-50Ma) ..................................................................................... 10
I.2 c) Convergence Eocène (50-30 Ma) ........................................................................... 10
I.2 d) Post-convergence Eocène (30-0 Ma)...................................................................... 11
I.3) L’événement TECTA .................................................................................................... 12
II) Les données sismiques : bases de données, acquisition et traitement
..............................................................................................................16
II.1) Présentation des données.............................................................................................. 16
II.1.a) Le programme ZoNéCo et autres programmes de recherche ................................ 16
II.1.b) La base de données Tasman Frontier .................................................................... 17
II.2) La campagne à la mer IPOD (Investigating Post Obduction Deposits) : objectifs et
principes de l’imagerie sismique.......................................................................................... 19
II.2.a) Présentation de la mission ..................................................................................... 19
II.2.b) Principe de l’imagerie sismique ............................................................................ 20
II.3) Traitement des données brutes ..................................................................................... 23
II.3.a) Inventaire des données à traiter ............................................................................. 23
II.3.b) Le format SEGY des données brutes .................................................................... 25
II.3.c) Les différentes étapes de la chaîne de traitement .................................................. 28
III) Interprétation sismique..................................................................39
III.1) Principes de l’interprétation sismique......................................................................... 39
III.2) Caractérisation de l’horizon TECTA .......................................................................... 41
III.1.a) L’horizon TECTA................................................................................................ 41
III.1.b) Le faciès TECTA-HARD .................................................................................... 42
III.2.c) Le faciès TECTA-FLAT ...................................................................................... 46
III.2.d) Le faciès TECTA-SED ........................................................................................ 47
III.3) Discussion ................................................................................................................... 49
Conclusion ...........................................................................................53
Références Bibliographiques...............................................................55
ANNEXES...........................................................................................59
Annexe 1 : Juan, C. (2012). Traitement sismique des campagnes océanographiques
ZoNéCo. Le Bulletin de la Géomatique en Nouvelle-Calédonie, 30, 3............................... 60
Annexe 2 : Tableau des tests réalisés lors de la mission IPOD............................................ 61
Annexe 3 : Récapitulatif des étapes de la chaîne de traitement. .......................................... 62
2
Liste des figures Figure 1 : a) Carte Bathymétrique du Sud-Ouest Pacifique [Smith and Sandwell, 1997; Collot et al., 2009a] , b) Carte de la nature du socle [Collot et al., 2009a]; AU : Australie ; MT : Mer de Tasman ; RLH : Ride de Lord Howe ; BF : Bassin de Fairway ; BNC : Bassin de Nouvelle-Calédonie ; RN : Ride de Norfolk : BL : Bassin de Loyautés ; RL : Ride des Loyauté....................................................................................................................................... 6 Figure 2 : Schéma d’une d’extension arrière-arc liée au recul de la fosse de subduction par effondrement du panneau plongeant dans le manteau [Heuret, 2005]....................................... 8 Figure 3 : Zone de subduction le long de la marge Est du Gondwana du Paléozoïque au Mésozoïque. Le cadre rouge indique la position du Sud Ouest Pacifique durant cette période [Olivet and Aslanian, 2000] ....................................................................................................... 9 Figure 4 : Modèle géodynamique de fragmentation de la marge Est du Gondwana (Collot et al. 2009).................................................................................................................................... 10 Figure 5 : Première phase Crétacé - Paléocène du modèle géodynamique, proposé par [Cluzel et al., 2001]............................................................................................................................... 10 Figure 6 : Modèle géodynamique Eocène inférieur d’initiation d’une nouvelle zone de subduction à pendage Ouest [Cluzel et al., 2001] .................................................................... 11 Figure 7 : Modèle d’obduction des péridotites en Nouvelle-Calédonie (Cluzel et al. 2001)... 11 Figure 8 : Synthèse stratigraphique et mise en évidence des lacunes sédimentaires dans les puits de la zone Tasman. Une discordance régionale commune est observée sur l’ensemble des puits à la transition Eocène-Oligocène [Collot et al., 2008]. Localisation des forages, voir figure 10 ................................................................................................................................... 12 Figure 9 : Profil sismique présentant l’effondrement du Bassin de Nouvelle-Calédonie et sa sédimentation en onlap sur les bords du bassin. Les flancs du bassin correspondent au prolongement latéral de la surface d’érosion sur les rides, elle-même contemporaine de la discordance Eocene-Oligocene [Sutherland et al., 2010] ....................................................... 13 Figure 10 : Localisation des zones où les profils sismiques montrent une érosion en domaine marin peu profond et/ou en domaine aérien (zones entourées en noir). La navigation des profils sismiques utilisée pour cette cartographie est représentée en orange. Les points rouges représentent les forages DSDP et disponibles dans la région les points jaunes les forages pétroliers [Sutherland et al., 2010]........................................................................................... 13 Figure 11 : Initiation de la zone de subduction des Tonga-Kermadec provoquant l’effondrement du Bassin de Nouvelle-Calédonie et la surrection de toute la zone [Sutherland et al., 2010]............................................................................................................................... 14 Figure 12 : Situation actuelle : l’ensemble de la zone a subsidé suite au recul de la zone de subduction plusieurs centaines de kilomètres vers l’Est [Sutherland et al., 2010].................. 14 Figure 13 : Carte bathymétrique présentant la zone d’étude. Sont représentées en noir les navigations des profils sismiques de la base de données Tasman Frontier au 5 Mars 2012 avant le début de ce stage. Ces profils représentent plus 100 000 km de sismique (sur fond de bathymétrie dérivée de l’altimétrie satellitaire [Smith and Sandwell, 1997] ........................... 18 Figure 14 : Zone d’étude lors de la campagne IPOD et présentation des navigations des profils sismiques réalisés (traits noirs) ................................................................................................ 20 Figure 15 : Principe de l’imagerie sismique rapide d’après le site internet de l’Ifremer. ........ 21 Figure 16 : Schéma synthétisant la géométrie d’un dispositif sismique. L'offset est la distance entre la source et un trace sismique. L'offset minimum la distance entre la source et la première trace. La distance entre 2 tirs dépend de la vitesse du bateau et de la cadence de tir. .................................................................................................................................................. 21 Figure 17 : Principe de l'acquisition sismique. La distance inter-tir est la distance qui sépare la position du dispositif entre le tir n et le tir n+1. Afin d'augmenter la qualité de l'image 3
sismique il est capital qu’un même point du sous-sol soit imagé un maximum de fois. Ici le
point x3 est imagé 3 fois (une première fois par G1 au tir 1, une deuxième par G2 au tir 2 et
une troisième par G3 au tir 3) : on parle d’un ordre de couverture de 3. ................................. 22
Figure 18 : Plan de navigation des campagnes ZoNéCo, Noucaplac & Faust sur fond de
bathymétrie dérivée de l’altimétrie satellitaire [Smith and Sandwell, 1997] ........................... 24
Figure 19 : Structure d’un fichier Segy d’après le SEG Technical Standards Committee
(2002) « Byte » =octet.............................................................................................................. 25
Figure 20 : Exemple de Textual File Header vue sous Seisee. Il contient des informations
telles que le nom de la mission, l’intervalle d’échantillonnage ou encore le nombre de traces
.................................................................................................................................................. 26
Figure 21 : Informations présentes dans le « binary header » visualisés ici grâce à Seisee..... 27
Figure 22 : Principe d’une collection en point milieu commun (CMP : Common Middle
Point) : Pour un même point du sous-sol on récupère tous les couples sources-récepteur qui on
imagé ce point en une même collection. Sur cette figure par exemple, le point x1 est imagé
par 3 couples source-récepteur, idem pour le point x2 mais avec des couples sources-
récepteurs différents ................................................................................................................. 29
Figure 23 : Spectre d’émission du signal pour un profil ZoNéCo5 permettant de définir les
bornes d’un filtre passe bande (ici 10-90Hz) (visualisé ici grâce à Sispeed)........................... 30
Figure 24 : Correction du Time Delay dans le cas où celui-ci varie d’une trace à l’autre a) les
3 premières traces ont un délai de 1 000 ms alors que les 3 suivantes débutent à 1 500 ms ; b)
Si aucune correction n’est apportée, l’hyperbole présente un shift vertical et les traces ne
seront pas cohérentes entre elles ; c) Correction du time delay par l’ajout d’échantillons
vierges (en bleu) en début et/ou fin d’enregistrement d) Grâce à cette correction, l’hyperbole
ne présente pas de shift et peut être redressée. ......................................................................... 31
Figure 25: a) Correction NMO : le temps de parcours d'une onde augmente de façon
hyperbolique en fonction de l'offset. b) Il est donc nécessaire d'appliquer une correction pour
horizontaliser le trajet de cette onde......................................................................................... 32
Figure 26 : Principe de la migration. a) Position théorique du point imagé (bleu) et positions
possibles de ce même point (rouge) ; b) Calcul de toutes les positions possibles pour une
trace ; c) Sommation sur toutes les traces qui permet l'annulation de certaines amplitudes et le
repositionnement des réflecteurs. ............................................................................................. 34
Figure 27 : Plan de positionnement du profil 07, acquis lors de la campagne ZoNéCo5, utilisé
pour la comparaison entre les chaînes de traitement [Smith and Sandwell, 1997] .................. 35
Figure 28 : Comparaison des résultat s sur le profil 07 de la campagne ZoNéCo5 a) Ancien
profil b) Nouveau profil obtenu grâce à la chaîne de traitement développée lors de ce stage 37
Figure 29 : Plan de navigation des profils sismiques de la base de données Tasman Frontier au
07 Septembre 2012 à la fin de ce stage. Les traits noirs correspondent aux profils déjà
existants, les traits rouges identifient les profils traités au cours de ce stage. [Smith and
Sandwell, 1997]........................................................................................................................ 38
Figure 30 : Schématisation d'un réflecteur : a) les valeurs positives de l'amplitude de l'onde
sismique sont noircies et les négatives blanchies ; b) Lorsque plusieurs ondes sont mises cote
à cote on obtient plusieurs réflecteurs. ..................................................................................... 40
Figure 31 : Différents types de terminaisons stratigraphiques (d'après Catuneanu, 2006) ...... 41
Figure 32 : a) Profil sismique GA302-009 recoupant le puits DSDP 208 (leg21). On y observe
l’horizon TECTA (en rose) ; b) Zoom du profil à l’endroit du forage, on distingue l’unité de
faible amplitude, concordante et d’extension régionale qui s’est déposée en biseau
d’aggradation après TECTA ; c) Localisation du profil GA 302-009 représentée en bleu sur la
carte. ......................................................................................................................................... 43
Figure 33 : Cartographie de l'événement TECTA dans la région TASMAN .......................... 44
4Figure 34 : Profil sismique représentant les différents faciès de l'horizon TECTA, puis un zoom sur chacun de ces faciès.................................................................................................. 45 Figure 35 : Pointé du faciès TECTA-HARD sur la ride de Lord Howe et la Ride de Coriolis. Le contour en rouge représente les zones ayant ce faciès commun. ........................................ 46 Figure 36 : Pointé du faciès TECTA-FLAT sur la ride de Lord Howe et la Ride de Coriolis. Le contour en bleu représente les zones limitrophes ayant ce faciès commun ........................ 47 Figure 37 : Cartographie du pointé de l’horizon TECTA-SED sur la ride de Lord Howe et la Ride de Coriolis. Le contour en vert représente l’étendue géographique de ce faciès ............ 48 Figure 38 : Carte de synthèse des horizons TECTA-HARD (rouge), TECTA-FLAT (bleu) et TECTA-SED (vert) .................................................................................................................. 48 Figure 39 : Profil sismique acquis sur la ride de Coriolis ........................................................ 51 5
Introduction
Dans le cadre de mes études, réalisées au sein de l’école d’ingénieurs Polytech Paris-UPMC,
il nous est demandé de réaliser un stage en entreprise au cours de notre 5ème et dernière année
de formation. Ce stage, dit de fin d’études, doit durer un minimum de 24 semaines et a pour
objectif principal la mise en pratique, en entreprise, des connaissances acquises lors de notre
formation. Ce stage est l’occasion de se voir confier un projet de type ingénieur tout en
continuant notre apprentissage grâce au statut de stagiaire.
Après avoir réalisé mon précédent stage au Département des Géosciences Marines de
l’Ifremer (Institut Français de Recherche pour l’Exploitation de la Mer), je voulais poursuivre
dans cette voie et me spécialiser en géophysique marine. C’est d’ailleurs grâce à un ancien
collègue, M. Martin Patriat avec qui j’ai gardé contact, que j’ai eu connaissance de l’offre qui
fait l’objet de mon stage. C’est donc au Service Géologique de la Nouvelle-Calédonie
(SGNC) que j’ai réalisé mes six mois de stage.
Le SGNC est un des services de la Direction de l’Industrie, des Mines et de l’Energie de la
Nouvelle-Calédonie (DIMENC, voir site internet). Cette direction fut créée par le
gouvernement Calédonien en 1873 suite à l’intensification de l’exploitation minière. A cette
époque, la DIMENC ne s’occupe que des mines mais son champ de compétences s’élargit
progressivement pour en faire aujourd’hui un acteur majeur dans le développement industriel
durable de la Nouvelle-Calédonie. Ses actions sont surtout relatives au contrôle et à
l’encadrement des activités industrielles et minières mais consistent aussi à définir et à mettre
en œuvre des politiques prospectives notamment énergétiques et minières. La Nouvelle-
Calédonie étant le 4ème exportateur de nickel au monde, les techniques d’extraction et de
traitements industriels du minerai potentiellement dangereuses pour l’environnement ont
besoin d’être encadrées et contrôlées. Pour mener à bien l’ensemble de ces actions, la
DIMENC se divise en 7 services, chacun responsable d’un pôle d’action.
Le service de la Géologie (SGNC) :
Le SGNC traite aussi bien des questions de géologie terrestre que marine afin d’améliorer la
connaissance de la géologie de la Nouvelle-Calédonie et du Sud-Ouest Pacifique. Cela
permet une meilleure gestion de l’aménagement du territoire ainsi qu’une plus grande
compréhension de l’histoire géologique de la région. Ce service se divise en 5 thématiques :
- La géologie : la connaissance géologique de la Nouvelle-Calédonie est très importante de
part son activité minière. Cette thématique, l’une des principales du service, vise donc à
acquérir, collecter et valoriser des données.
- Risques Naturels : il s’agit ici d’augmenter la connaissance sur les aléas naturels et
notamment pour tout ce qui concerne l’amiante environnementale et les mouvements de
terrains.
1- Les ressources en eau : cette thématique consiste en l’amélioration de la connaissance des
systèmes aquifères afin de gérer les aspects à la fois ressource mais aussi protection.
- Système d’information : l’objectif ici est de mettre à disposition l’ensemble des cartes et
données acquises et/ou traitées par les équipes du SGNC.
- Les ressources minérales : pour la partie terrestre, il s’agit de mieux cerner la géométrie
des minerais mais aussi les facteurs de leur mise en place et pour la partie marine, d’évaluer le
potentiel en ressources minérales (hydrocarbures, minéralisations profondes …) au sein de la
ZEE Calédonienne.
- Géosciences Marines : comprendre de façon générale la formation du Sud-Ouest
Pacifique. Cela passe par des programmes d’acquisition de nouvelles données et par le
traitement puis l’interprétation des données. Cette section est également en charge d’évaluer
et de promouvoir auprès de l’industrie le potentiel en ressources minérales de la Zone
Economique Exclusive de la Nouvelle-Calédonie.
C’est dans cette section que j’ai effectué mon stage auprès de M. Julien Collot, géophysicien
marin, et de M. Pierrick Rouillard, sédimentologue.
Le Service des Mines et Carrière (SMC) :
Ce service travaille à la valorisation des ressources minérales très nombreuses sur le territoire.
Cette mission passe par la promotion, l’organisation et la coordination des moyens mis en
œuvre, mais aussi par la garantie d’une bonne insertion autant sur un plan environnemental
que social ou économique.
Le Service de l’Energie (SE) :
Ce service est en charge d’établir une politique énergétique en Nouvelle Calédonie ayant pour
but l’approvisionnement en énergie sur l’ensemble du territoire. Ses actions s’inscrivent dans
une dynamique de développement, d’indépendance mais aussi de sécurité énergétique. C’est
par exemple ce service qui fixe le prix des carburants sur l’ensemble de la N.C. Il est aussi
sensible au respect de l’environnement et encourage le développement des énergies
renouvelables.
Le service Industrie (SI) :
Ce service est chargé d’assurer qu’aucune activité industrielle ne porte atteinte à
l’environnement, à la sécurité et à la santé des personnes. Pour atteindre ces objectifs, l’équipe
du SI suit au quotidien les activités industrielles, mène des inspections et le cas échéant lance
une procédure afin de résoudre le différent.
Le laboratoire :
La DIMENC est équipée d’un laboratoire d’analyses. Il est principalement chargé d’effectuer
des analyses sur l’ensemble des minerais exportés hors du territoire dans un but de connaître
2les quantités de métaux exportés et de fixer les taxes relatives à ces exports. Il réalise aussi
des analyses d’eaux, de ciments et bétons… aussi bien pour des particuliers que pour des
professionnels.
Le service Administratif et Financier (SAF)
Ce service est responsable des ressources humaines et gère les aspects budgétaire et logistique
de la DIMENC.
Dans le cadre de ses missions, le SGNC est donc responsable de l’étude de la géologie à
l’échelle de la Nouvelle-Calédonie mais aussi à une échelle plus régionale. En effet, située
dans le Sud-Ouest Pacifique, la Nouvelle-Calédonie possède une histoire géologique et
tectonique complexe et encore méconnue. Bien que l’on connaisse les principales phases de
cette histoire, certains événements restent encore mal compris et font l’objet de nombreuses
études. Parmi eux, on trouve un évènement tectonique majeur qui d’après des études récentes
aurait affecté l’ensemble du Sud-Ouest Pacifique au Cénozoïque et aurait conduit à
d’importants mouvements verticaux [Collot et al., 2008; Sutherland et al., 2010; Bache et al.,
2012]. Selon certains auteurs [Sutherland et al. 2010], cet évènement, TECTA (Tectonic
Event of the Cenozoic in the Tasman Area), pourrait notamment être lié à l’initiation de la
zone de subduction des Tonga-Kermadec [Sutherland et al., 2010] actuellement positionnée à
2000 km à l’est de la Nouvelle-Calédonie.
Afin d’améliorer la connaissance de l’espace maritime calédonien de nombreuses campagnes
océanographiques ont été menées depuis 1991 dans le cadre du programme ZoNéCo. Ces
campagnes ont permis d’acquérir d’importantes quantités de données bathymétriques, de
potentiel ou encore de sismique rapide. Malgré les nombreux travaux effectués au cours des
deux dernières décennies, aucun ne s’est véritablement porté sur le traitement et
l’interprétation détaillés des données de sismique réflexion. Représentant près de 54 000 km
de profils, ces données sismiques permettraient entre autre de mieux contraindre l’évènement
TECTA. C’est de ce constat qu’est née l’idée d’un stage ingénieur permettant la valorisation
de ces données.
Mon stage au sein du SGNC s’est divisé en trois grandes phases, chacune d’entre elles
répondant à un objectif fixé par le principe même de l’analyse de données sismiques à savoir :
l’acquisition de données, le traitement de ces données et enfin leur interprétation géologique.
Mon rôle lors de la première partie de mon stage a été de réaliser une chaîne de traitement
sismique. Pour cela j’ai comparé deux outils de traitement sismique : Seismic Unix [Cohen et
Stockwell 2012] et Sispeed [Thomas et Marsset 2012] que j’ai adaptés au type de données
dont je disposais. Par la suite, j’ai choisi la chaîne qui donnait les résultats les plus
satisfaisants et l’ai utilisée pour traiter des profils. Parmi ces profils, certains avaient déjà été
traités, ce qui a permis de comparer les résultats ; et d’autre ne l’avaient jamais été : il
s’agissait donc de nouvelles données, fait peu courant dans ce domaine.
Après avoir traité un certain nombre de profils intéressants permettant d’apporter de
nouvelles informations sur la région, la deuxième phase de mon stage a consisté à interpréter
ces profils. N’ayant jamais utilisé le logiciel d’interprétation sismique The Kingdom Suite,
cette partie a débuté par une courte période de formation tant du point de vue technique avec
le logiciel que d’un point de vue théorique sur l’histoire géologique de la région et plus
particulièrement l’évènement TECTA, cartographié et caractérisé lors de l’interprétation.
.
3Enfin, j’ai eu la chance d’embarquer à bord d’une campagne océanographique qui s’est déroulée durant la première quinzaine d’août 2012 et qui fut l’occasion de participer à la phase d’acquisition de données. Lors de cette mission, mon rôle était de traiter, en temps réel et grâce à la chaîne de traitement sismique que j’ai mise au point pendant ce stage, les données sismiques acquises ainsi que de participer à leur interprétation. Ce stage très complet m’a donc permis de prendre part à toutes les étapes d’une étude faisant appel à des données de sismique réflexion. L’objectif de ce rapport est de présenter mon expérience et de vous faire découvrir en quoi a consisté mon travail. Ce document s’organise donc en trois chapitres : Le premier chapitre présente le contexte géologique du Sud-Ouest Pacifique. Après un aperçu des structures géologiques de la région, sont passées en revue respectivement la description des grandes phases tectoniques qui ont modelées ces structures puis les différents modèles géodynamiques qui tentent d’expliquer leur origine. Dans le deuxième chapitre, on s’intéresse aux données ainsi qu’à la chaîne de traitement sismique et à ses différents aspects ; à savoir l’acquisition des données puis leur traitement. Enfin, un troisième chapitre vient clore le cycle de l’analyse sismique avec la phase d’interprétation des données préalablement traitées. Ce dernier chapitre dresse un bilan du stage et de l’avancement de la valorisation des données ZoNéCo ainsi que du travail restant à entreprendre. 4
I) Contexte géologique du Sud-Ouest Pacifique
Depuis le Mésozoïque, l’histoire géologique du Sud-Ouest Pacifique est intiment liée à
l’évolution des zones de subduction qui ont largement façonné la morphologie actuelle des
structures de cette région. Depuis le Gondwana jusqu’à la succession de bassins, rides, fossés
et mers observés aujourd’hui, de nombreux événements géologiques et tectoniques se sont
produits. Différents modèles géodynamiques s’appuyant sur des observations géologiques
(cartographie à terre, dragages, forages) et géophysiques (sismique, gravimétrie, magnétisme,
entre autres) tentent d’expliquer l’histoire de la région
L’objectif de ce chapitre est de faire un point sur la géologie régionale en reconstituant
l’histoire géodynamique. Le premier axe de ce chapitre correspond à un tour d’horizon des
structures remarquables qui composent aujourd’hui le Sud-Ouest Pacifique.
Le deuxième axe développé retrace les grandes phases tectoniques de la région en s’appuyant
sur les modèles géodynamiques existants. Le troisième axe se focalise sur un de ces
évènements tectoniques, récemment documenté dans la littérature, l’évènement TECTA.
I.1) Les structures géologiques du Sud-Ouest Pacifique
La Nouvelle-Calédonie se compose d’un archipel d’îles appartenant à une zone complexe
désignée par le terme de région Sud-Ouest Pacifique. La Figure 1 illustre bien cette
complexité qui résulte de la fragmentation d’un morceau de continent. Si l’on s’intéresse à la
nature du socle (Figure 1), on observe une succession de bassins et de rides d’origine
continentale bordée par deux zones océaniques, dont une d’extension arrière-arc en lien avec
la zone de subduction des Tonga-Kermadec située à plus de 2000 km à l’Est de la Nouvelle-
Calédonie.
Il est proposé ici une description synthétique d’Ouest en Est (Figure 1) de l’origine et de la
nature géologique des principales structures de la région Sud-Ouest Pacifique.
La mer de Tasman (MT)
La Mer de Tasman est un bassin océanique qui s’étend sur une largeur maximale de 2 000 km
entre la marge Est de l’Australie et la Ride de Lord Howe et dont les fonds relativement plats
avoisinent les 4 000 m de profondeur. L’âge de formation de ce bassin dont la croûte
océanique s’est accrétée à l’axe d’une dorsale a pu être précisément daté grâce à l’analyse des
inversions du champ magnétique. Par ces anomalies magnétiques Griffiths et Varne (1972);
Weissel et Hayes (1972); Hayes Dennis et Ringis (1973); Jongsma et Mutter (1978); Shaw
(1990); Symonds et al. (1996); Gaina et al. (1998); Crawford et al. (2002) et Sdrolias et al.
(2003) montrent avec précision que l’ouverture de ce bassin s’est déroulée sur une période
s’étalant de la fin du Crétacé (85 Ma) à l’Eocène inférieur (52 Ma).
5BNC BL
RN
RL
AU RLH
MT
Figure 1 : a) Carte bathymétrique du Sud-Ouest Pacifique [Smith and Sandwell, 1997; Collot et al., 2009a] , b) Carte
de la nature du socle [Collot et al., 2009a]; AU : Australie ; MT : Mer de Tasman ; RLH : Ride de Lord Howe ; BF :
Bassin de Fairway ; BNC : Bassin de Nouvelle-Calédonie ; RN : Ride de Norfolk : BL : Bassin de Loyauté ; RL : Ride
des Loyauté
6La Ride de Lord Howe (RLH)
Structure majeure de la région orientée NO-SE, cette ride s’étend sur plus de 1 600 km de
long et 400 km de large dans une zone comprise entre la Nouvelle-Calédonie et la marge Est
Australienne. De nombreuses études d’abord de sismique réflexion et de bathymétrie [Officer,
1955; Dooley, 1963; Shor et al., 1971] puis de sismique réfraction [Lafoy et al., 2005a;
Klingelhoefer et al., 2007] montrent que la Ride de Lord Howe est de nature continentale.
Mortimer et al. [2008] démontrent qu’il s’agit d’un fragment détaché de la marge
Australienne. Cette ride est couverte d’une faible épaisseur de sédiments (environ 200/300 m)
disposée sur une surface discordante souvent érosive et accidentée [Collot et al., 2009b;
Sutherland et al., 2010].
Le Bassin de Fairway (BF)
Le Bassin de Fairway est délimité par les rides de Lord Howe à l’Ouest et de Fairway à l’Est.
A l’image des rides voisines, il est orienté selon un axe NO-SE. S’étalant sur plus de 800 km
de long et 130 km de large, ce bassin présente des profondeurs de l’ordre de 1 000 m pouvant
atteindre près de 2 800 m au Sud (latitude 24°30’). Klingelhoefer et al., [2007] caractérisent
sa croûte comme étant de nature continentale amincie à partir de données de sismique
réfraction.
Le bassin de nouvelle Calédonie (BNC)
Le bassin de Nouvelle-Calédonie se situe entre les rides de Fairway à l’Ouest et de Norfolk à
l’Est. Ce bassin est orienté Nord-Sud pour sa partie centrale et tend vers N140° dans ses
parties Nord et Sud. Dans sa partie septentrionale c’est un bassin flexural d’une profondeur
moyenne de 3 300 m dont la couche sédimentaire dépasse les 4 km en moyenne [Collot et al.,
2009a]. Il s’agit d’un des bassins les moins bien connus et pour lequel subsistent certaines
polémiques quant à sa nature. L’ensemble des données disponibles aujourd’hui suggère que la
partie Sud soit de nature océanique ou continentale très amincie [Klingelhoefer et al., 2007;
Collot, 2009; Sutherland et al., 2010].
La Ride de Norfolk (RN)
Cette ride qui porte la Grande-Terre de la Nouvelle-Calédonie s’étend au nord jusqu’au récif
d’Entrecasteaux et rejoint au Sud la ride de Reinga et le Northland de la Nouvelle-Zélande sur
une distance de 1 500 km. Au même titre que la Ride de Lord Howe, il s’agit d’une des
lanières continentales en majorité immergées qui se sont détachées du Gondwana au Crétacé
supérieur. D’après des études bathymétriques et géophysiques cette ride est caractérisée
comme étant de la croute continentale amincie recoupée par de nombreuses intrusions
volcaniques [Lafoy et al., 2005b; Klingelhoefer et al., 2007]
Le bassin des Loyauté (BL)
Le Bassin des Loyauté se situe directement à l’Est de la Ride de Norfolk et à l’Ouest de la
Ride des Loyautés. Très étroit (45-65 km de large) ce bassin de 1 300 km de long est délimité
au Nord par la zone d’Entrecasteaux et au Sud par la fracture de Cook. Sa profondeur se situe
entre 3 500 m au Nord et 2 000 m au Sud. Ce bassin d’origine océanique présente une
épaisseur de sédiments voisine de 6 000 m [Bitoun and Recy, 1982].
7La Ride des Loyauté (RL)
La Ride des Loyauté fait partie des éléments structuraux les plus mal connus du Sud-Ouest
Pacifique. Cette ride étroite s’étend sur 2 000 km parallèlement au Bassin des Loyautés et à la
Ride de Norfolk et est composée d’un alignement de guyots émergés au Nord (Ouvéa, Lifou,
Tiga, Maré) puis immergés au Sud. En raison notamment de sa couverture récifale, la nature
et l’origine de cette ride restent inconnues et différentes théories s’opposent. D’après
Monzier, [1993] le socle de la Ride des Loyauté serait un lambeau de ride continentale
détachée de la marge australienne. Une autre hypothèse s’appuyant sur une possible
concordance avec la zone d’Entrecasteaux et des observations géologiques en Nouvelle-
Calédonie, suggère que la Ride des Loyauté soit un arc volcanique Eocène [Maillet et al.,
1983; Kroenke, 1984; Cluzel et al., 1994; Eissen et al., 1998; Cluzel et al., 2001; Crawford et
al., 2002; Sdrolias et al., 2003; Cluzel et al., 2006]
Maintenant que la situation actuelle et les principales structures de la zone Tasman sont
connues, une présentation des principaux modèles géodynamiques existants est proposée.
I.2) Les grandes phases tectoniques
L’histoire géologique de la région est intimement liée aux zones de subductions et à leurs
évolutions au cours du temps. En effet, ces zones de subductions étant les moteurs des
mouvements tectoniques qui ont modelé la région, la reconstitution de l’histoire géologique
régionale passe par leur compréhension et notamment le phénomène de « trench retreat par
slab rollback. »
Lors d’une subduction, la plaque plongeante ou slab s’enfonce sous la plaque supérieure selon
un pendage qui dépend de plusieurs paramètres, dont notamment la force gravitaire due au
poids même du slab dans le cas du Sud-Ouest Pacifique. Il arrive que ce pendage initialement
faible augmente et qu‘une verticalisation du slab survienne. En plongeant de cette façon, le
slab recule : c’est ce que l’on appelle un mouvement de rollback du slab. Ce recul créé un
déplacement de la fosse de subduction vers l’océan (trench retreat) et donc un phénomène
d’extension arrière-arc sur la plaque chevauchante comme l’illustre la Figure 2.
Figure 2 : Schéma d’une d’extension arrière-arc liée au recul de la fosse de subduction par effondrement
du panneau plongeant dans le manteau [Heuret, 2005]
8I.2.a) Subduction Mésozoïque
Au cours du Paléozoïque et ce jusqu’au Mésozoïque, une subduction se déroule sur la marge
Est du Gondwana où la plaque pacifique (aussi appelée plaque Phoenix) plonge sous la masse
continentale du Gondwana (Figure 3). Des témoignages actuels, tels que d’importantes
épaisseurs de sédiments volcaniques datant du Mésozoïque présents entre l’Australie et la
Tasmanie, démontrent la présence d’un arc volcanique fossile [Bryan, 1997]. D’autres travaux
plus récents confirment l’hypothèse de cette zone de subduction en montrant la continuité
d’un arc continental Mésozoïque entre l’Australie et la Nouvelle-Zélande [Mortimer et al.,
2002; Mortimer, 2003; 2004; 2008; Mortimer et al., 2008]. Durant toute cette phase de
subduction péri continentale le faible pendage du slab a fait que la subduction est restée
relativement stable.
A partir du Crétacé supérieur plusieurs auteurs suggèrent que le régime de cette zone de
subduction évolue et qu’une verticalisation du slab se produit entrainant ainsi un recul de la
fosse de subduction et la fragmentation de la marge Est gondwanienne par des séries
d’ouvertures arrière arc.
La Figure 4 présente les étapes de cette extension arrière-arc en faisant le lien entre un schéma
structural et une coupe transversale de la zone à trois périodes clés. Tout d’abord sur la
période allant du Paléozoïque au Mésozoïque durant laquelle le slab de la plaque Pacifique
plonge selon un pendage relativement faible. Au cours de cette période, on assiste à la
formation d’un arc volcanique continental en arrière de la zone de subduction (Figure 4a). A
partir du Crétacé inférieur (~105 Ma), le slab se verticalise, progressivement entrainé à la
verticale par des forces gravitaires (Figure 4b). La fin de cette deuxième phase intervient avec
une extension arrière-arc qui entraîne la dislocation de la marge Est gondwanienne et donne
naissance au Bassin de Fairway-Aotea (cf Figure 4c).
Figure 3 : Zone de subduction le long de la marge Est du Gondwana du Paléozoïque au Mésozoïque. Le
cadre rouge indique la position du Sud-Ouest Pacifique durant cette période [Olivet et Aslanian, 2000]
9Figure 4 : Modèle géodynamique de fragmentation de la marge Est du Gondwana [Collot et al., 2009b]
I.2 b) Rifting Crétacé (80-50Ma)
Cette extension arrière-arc a pour conséquences un amincissement de la croûte continentale
de la plaque supérieure et une remontée du manteau, c’est le début du rifting. Selon Cluzel et
al. [2001], on assiste au Crétacé supérieur au recul très rapide de la marge active vers l’Est, à
l’ouverture de la Mer de Tasman et des bassins de Nouvelle-Calédonie et Sud-Loyauté et à la
dérive vers l’Est des lanières continentales détachées du Gondwana (Figure 5).
Figure 5 : Première phase Crétacé - Paléocène du modèle géodynamique, proposé par Cluzel et al., [2001]
I.2 c) Convergence Eocène (50-30 Ma)
A l’Eocène inférieur, la subduction orientée vers l’Ouest (Figure 5) prend fin et par
rééquilibrage des forces mises en jeu, on assiste à un phénomène de subduction flip et à
10l’initiation d’une nouvelle subduction à pendage Est au niveau du Bassin Sud-Loyauté. Cette
nouvelle zone de subduction a pour conséquence l’ouverture du Bassin Nord-Loyauté en
position arrière-arc et la formation d’un arc volcanique : la Ride des Loyauté (Figure 6).
Figure 6 : Modèle géodynamique Eocène inférieur d’initiation d’une nouvelle zone de subduction à
pendage Ouest [Cluzel et al., 2001]
A l’Eocène supérieur, l’arrivée de la Ride de Norfolk dans la fosse de subduction bloque
cette dernière et entraîne l’accrétion de lambeaux de croûte océanique du Bassin Sud-Loyauté
sur la Ride de Norfolk [Cluzel et al., 2001]. On assiste ensuite à l’obduction de la nappe de
péridotites sur la ride de Norfolk [Aitchison et al., 1995] et l’exhumation de matériel
métamorphisé préalablement descendu dans la zone de subduction [Spandler and Hermann,
2006] dans le Nord-Est de la Nouvelle-Calédonie (Figure 7).
Figure 7 : Modèle d’obduction des péridotites en Nouvelle-Calédonie (Cluzel et al. 2001)
I.2 d) Post-convergence Eocène (30-0 Ma)
Suite au blocage de la subduction ayant entrainé l’obduction des péridotites en Nouvelle-
Calédonie et pour des raisons là encore mal connues, la zone de subduction à pendage Ouest
qui s’était arrêtée à l’Eocène inférieur reprend, associée à un rapide phénomène de trench
rollback permettant la création du Bassin Sud-Fidjien.
Cette zone de subduction actuellement active se trouve au niveau de la Fosse des Tonga-
Kermadec à plus de 2 000 km à l’Est de la Nouvelle-Calédonie.
.
Dans la littérature récente, de nouvelles observations, principalement fondées sur des données
de sismique marine, tendent à démontrer que la convergence Eocène a affecté l’ensemble de
la région Tasman. Les auteurs parlent d’événement tectonique Cénozoïque dans la région
Tasman (TECTA).
11I.3) L’événement TECTA L’événement TECTA (Tectonic Event of Cenozoic in the Tasman Area) est une réinterprétation récente d’une discordance observée dans les tous les puits traversant l’Eocène à l’échelle de la région de Tasman. La région Tasman regroupe les structures géologiques situées entre la Mer de Tasman à l’Ouest et la ride de Norfolk à l’Est. Cette discordance correspondant à une lacune sédimentaire datant de la transition Eocène- Oligocène (Figure 8) est également connue sous le nom de « discordance de Kennett ». En effet, Kennett et al., [1975] ont interprété cette discordance comme étant le résultat de l’érosion par des courants de fonds océaniques. A cette époque ces auteurs ne pouvaient que se fonder sur les faciès sédimentaires des puits, essentiellement marins profonds juste au dessus et juste en dessous de la discordance, et sur la bathymétrie actuelle pour interpréter cette discontinuité car ils ne disposaient pas du jeu des données sismiques qui existe aujourd’hui. Figure 8 : Synthèse stratigraphique et mise en évidence des lacunes sédimentaires dans les puits de la zone Tasman. Une discordance régionale commune est observée sur l’ensemble des puits à la transition Eocène-Oligocène [Collot et al., 2008]. Localisation des forages, voir figure 10 A partir de l’interprétation des profils sismiques disponibles sur la zone Tasman, Sutherland et al. (2010) montrent qu’à la transition Eocène-Oligocène, le Bassin de Nouvelle-Calédonie s’est brutalement effondré sur plus de 2 500 m alors que les rides de Lord Howe et de Norfolk ont subi une intense érosion subaérienne à leur sommet. L’effondrement rapide du Bassin de Nouvelle-Calédonie est justifié par la présence de terminaisons sismiques en onlaps sur les bords du Bassin de Nouvelle-Calédonie qui correspondent au prolongement latéral de la surface d’érosion observée sur les rides. Cette surface est surlignée par des pointillés noirs sur 12
le profil sismique GA114-004 (Figure 9) qui recoupe les rides de Lord Howe et Ouest
Norfolk et le bassin de Nouvelle-Calédonie.
Ride Ouest Norfolk
Figure 9 : Profil sismique présentant l’effondrement du Bassin de Nouvelle-Calédonie et sa sédimentation en onlap sur
les bords du bassin. Les flancs du bassin correspondent au prolongement latéral de la surface d’érosion sur les rides,
elle-même contemporaine de la discordance Eocene-Oligocene [Sutherland et al., 2010]
A partir du pointé de cette surface d’érosion sur un grand nombre de profil, Sutherland et al,
(2010) ont déterminé des zones géographiques correspondant aux parties émergées des rides à
cette époque (délimitées par un trait noir sur la Figure 10). D’après eux, les surfaces
d’érosions observées seraient directement liées à une érosion subaérienne ou à une érosion par
les vagues en domaine marin peu profond.
Figure 10 : Localisation des zones où les profils sismiques montrent une érosion en domaine marin peu profond et/ou
en domaine aérien (zones entourées en noir). La navigation des profils sismiques utilisée pour cette cartographie est
représentée en orange. Les points rouges représentent les forages DSDP disponibles dans la région et les points
jaunes, les forages pétroliers [Sutherland et al., 2010]
En raison de la dimension régionale de l’évènement qui s’étend sur plus de 2 000 km de long
et 500 km de large, Sutherland et al. (2010) ont proposé que la discordance Eocène Oligocène
observée dans les puits était plus d’origine tectonique qu’océanographique.
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