Imagerie haute résolution du sous-sol


Estimation 3D des vitesses d’ondes de compression dans le champ pétrolier Valhall situé en mer du Nord.

Les géophysiciens s’intéressent à la reconstruction de la structure du sous-sol depuis de nombreuses années. Ils poursuivent des objectifs variés, à différentes échelles : l’exploitation des ressources minières et fossiles, la détection et la surveillance des nappes phréatiques, la détection de cavités, la prévention du risque, la compréhension des phénomènes à grande échelle liés à l’activité sismique et au volcanisme.

Pour réaliser cette exploration, les géophysiciens ont imaginé la mise en place de systèmes semblables à de gigantesques scanners médicaux : le sous-sol est mis en mouvement par des sources sismiques (des ondes générées en surface par des camions-vibreurs pour la sismique terrestre, ou des canons à air comprimé pour la sismique marine), et l’enregistrement de sa réponse en surface permet d’obtenir des informations précieuses sur sa structure. Les premières méthodes tomographiques ont été mises au point par les géophysiciens (techniques permettant de reconstruire le volume d’un objet à partir d’une série de mesures effectuées par tranches depuis l’extérieur de cet objet). Basées sur l’interprétation des temps d’arrivée des évènements sismiques, elles ne permettaient d’obtenir que des images à très faible résolution du sous-sol. Un nouveau procédé a donc été mis en place pour mieux interpréter ces données. Sa première étape consiste à savoir modéliser précisément la propagation des ondes à l’intérieur de la Terre : ceci est devenu possible grâce aux méthodes mathématiques modernes évoquées par Julien Diaz dans la brève Jeter un oeil au centre de la Terre”.

Mais ce n’est pas tout ! La deuxième étape du procédé consiste à dessiner la structure du sous-sol qui correspond aux informations qui ont été enregistrées. Ici encore, les mathématiques jouent un rôle primordial : ce sont en effet des méthodes d’optimisation numériques très récentes qui permettent de réaliser ce véritable tour de force. Le principe est le suivant : une estimation approximative du sous-sol obtenue par une méthode classique est améliorée progressivement, jusqu’à ce que la réponse ”numérique” du sous-sol coïncide avec celle qui a été réellement enregistrée. Cette procédure est gourmande en temps de calcul puisqu’un nombre très important de simulations est réalisé. Pour pouvoir calculer des estimations du profil du sous-sol dans des temps raisonables, on fait donc appel une nouvelle fois aux méthodes mathématiques qui permettent d’utiliser les moyens de calculs les plus récents proposés par les super-ordinateurs parallèles. Les progrès obtenus par rapport aux méthodes traditionnelles sont déjà impressionnants ! Et l’on peut maintenant rêver à une description globale de la Terre en 3D à haute résolution.

 

Brève rédigée par Ludovic Métivier (CNRS, LJK / Université Joseph Fourier).

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Crédit image : Vincent Etienne.