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Des outils de modélisation et d’imagerie sismique ont été développés dans le cadre d’une collaboration interdisciplinaire regroupant des géophysiciens, des mathématiciens et des informaticiens de Géoazur¹ à Sophia Antipolis, d’ISTerre² et du LJK³ de Grenoble, dans le cadre du projet SEISCOPE et de l’Université de Toulouse (IRIT)⁴ et de l’INRIA-LIP⁵ de Lyon dans le cadre du projet MUMPS pour effectuer un cas d’étude visant à imager en 3D un réservoir pétrolier norvégien localisé en mer du Nord.
Les moyens de calcul utilisés ont été mis à disposition par le mésocentre de calcul SIGAMM hébergé par l’Observatoire de la Côte d’Azur. Ces travaux ont été publiés dans la revue Geophysical Journal International.

L’imagerie sismique des propriétés physiques du sous-sol a des applications majeures dans de multiples domaines tel que le génie civil, l’aléa sismique, l’énergie, la surveillance des zones de stockage et de manière générale pour l’exploration géophysique de zones géodynamiques à différentes échelles d’exploration.

La zone étudiée, d’une superficie de 145km² pour une profondeur maximale de 4.5km sous 70m de profondeur d’eau, est un réservoir difficile à caractériser car il présente des zones de gaz dans la couverture sédimentaire pouvant former localement un nuage de gaz entre 1km et 1.5km de profondeur. Le dispositif d’acquisition sismique est formé par une série de câbles sous-marins instrumentés avec 2 300 hydrophones ayant enregistré les signaux sismiques générés par 50 000 sources explosives.

Une imagerie profonde haute résolution en présence de gaz

Images du réservoir paramétrées par la vitesse de propagation verticale des ondes sismiques.
(a-b) Vues en perspective recoupant le nuage de gaz (a) et sa périphérie (b).
(c-e) Coupes horizontales à 175m, 500m et 1km de profondeur à travers un réseau de chenaux fluvioglaciaires
(c), les sillons laissés par des icebergs dérivants (structures linéiques) et le nuage de gaz(e).
En (a), les flèches blanches indiquent le réflecteur marquant la base du crétacé.
En (e), les deux lignes tiretées positionnent les deux coupes (Y-Z) en (a-b).

 Les images 3D du réservoir pétrolier représentées sur la Figure 1 révèlent des structures de faibles dimensions telles que des chenaux fluvioglaciaires sableux à 175m de profondeur (Figure 1c) et les scarifications laissées sur le paleo-fond de mer par des icebergs dérivants à 500m de profondeur (Figure 1d). Une large zone de faible vitesse délimite la géométrie du nuage de gaz (Figure 1a,e) en périphérie duquel un réseau de fractures est identifié (Figure 1b,e). L’image d’un réflecteur profond, délimitant la base du crétacé sous le réservoir crayeux (Figure 1a,b, flèches blanches), est particulièrement bien identifiable malgré l’écran formé par le nuage de gaz sus-jacent qui s’oppose à la pénétration des ondes sismiques.

Modélisation sismique. (a) Partie réelle des données sismiques monochromatiques (fréquence 7Hz) enregistrées par le capteur dont la position est fournie sur la Figure 1. (b) Données synthétiques calculées numériquement dans le modèle obtenu par FWI (Figure 2). Ces données synthétiques reproduisent de manière satisfaisante l’amplitude et la phase du champ d’onde enregistré (a).

 Cette imagerie sous écran est rendue possible car la FWI (Full Waveform Inversion) vise à corriger tous les effets de propagation des ondes (les temps de trajet mais aussi les amplitudes) pour les traduire en propriétés géophysiques via la modélisation numérique complète des champs d’ondes sismiques. L’accord obtenu à l’issue de la FWI entre un champ d’onde enregistré sur le fond de la mer lors de la campagne d’acquisition et le champ d’onde calculé lors de ces modélisations est illustré sur la Figure 2 pour une fréquence de 7Hz.

Vers une description plus réaliste des milieux géologiques.

Le développement conjugué des moyens de calcul, des technologies d’acquisition sismique et des méthodes d’analyse numérique ont permis de révéler le potentiel de la méthode FWI pour construire des modèles du sous-sol haute résolution quantitatifs. Néanmoins, l’imagerie présentée ici ne reconstruit qu’une propriété physique du sous-sol, en l’occurrence, la vitesse de propagation verticale.

L’enjeu actuel de cette méthode est de prendre en compte, dans la modélisation sismique, une physique des ondes aussi réaliste que possible. Un deuxième enjeu est de reconstruire plusieurs classes de paramètres (vitesses de propagation, densité, atténuation, anisotropie) intervenant dans la description du milieu géologique.

Pour illustrer ce propos, un examen détaillé de la Figure 2 révèlerait que les amplitudes calculées sont surestimées comparativement aux amplitudes observées lorsque le champ d’onde se propage à travers le nuage de gaz, suggérant ainsi l’empreinte significative des phénomènes d’absorption dans des environnements géologiques chargés en gaz. Par conséquent, imager un paramètre décrivant les effets d’absorption mais aussi de dispersion générés par l’atténuation sismique figure parmi les travaux en cours des chercheurs.