Inversion de forme d'onde de données sismiques multitraces longue-flûte: contribution à l'étude du bassin avant-arc de Sanak en Alaska

par Amin Kahrizi

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'environnement

Sous la direction de Matthias Delescluse et de Manuel Pubellier.


  • Résumé

    L'imagerie sismique est un outil pour le géologue structural qui lui permet d'extrapoler ses observations au delà de l'affleurement, et même d'obtenir des indices sur la nature de roches profondes et inaccessibles. Une des méthodes sismique les plus prometteuses est la tomographie de forme d'onde (FWI), une technique d'inversion permettant d'extraire des propriétés de la subsurface à haute résolution. Pour des intérêts tectoniques et structuraux, la technique, difficile à appliquer, est très adaptée à l'étude des bassins avant-arcs peu profonds. Cette thèse discute l'application FWI à deux sections sismiques 2D de 45 km de longueur traversant le bassin avant-arc de Sanak en Alaska. L'objectif de la thèse est de réussir à appliquer la méthode d'imagerie avec succès à ces données réelles et aussi de montrer comment les résultats peuvent être utiles dans le cadre d'une étude de cas académique. Pour cela nous introduisons d'abord le bassin avant arc de Sanak situé au coeur du segment de Shumagin de la Subduction Alaska-Aléoutienne. Ce segment fut imagé en 2011 par la campagne sismique ALEUT. La ligne 5 de la campagne ALEUT image un réflecteur profond à vergence continentale visible de l'interface de subduction jusqu'au fond marin où un rejet de 5 m est observé. Ce type de faille est également présente au Japon dans la région de Tohoku, où elle est associée à un mécanisme permettant le glissement superficiel de l'interface de subduction, comme lors du séisme Mw9.0 de 2011 au Japon. Dans la bassin de Sanak en Alaska, il est cependant difficile d'évaluer si le mouvement récent sur cette faille est significatif à cause de la complexité de l'enregistrement sédimentaire local. De plus, l'une des lignes montre également que l'extension dans le bassin se localise principalement sur des failles à vergence océanique, signe d'effondrement de pente, et moins sur la faille à vergence continentale. Le traitement sismique conventionnel montre la difficulté à bien imager la géométrie du socle sous faible tranche d'eau et la difficulté de corréler certains horizons sédimentaires à travers les failles. Avant de produire les images FWI permettant d'améliorer l'imagerie, la méthodologie de l'inversion de forme d'onde acoustique est brièvement décrite. La tomographie de temps de trajets est utilisée pour construire un modèle de départ pour la FWI. La FWI en domaine fréquentiel est d'abord testée mais des problèmes d'onde guidées au niveau de la plateforme nous obligent à masquer ces signaux dans un code FWI en domaine temporel. Les profils de vitesse finaux sont obtenus après la prise en compte de variations de vitesses dans la colonne d'eau. Ces champs de vitesses de haute résolution semblent être affectés par l'effet des courants de fond sur la ligne 5. Une inversion de vitesse en continuité d'un réflecteur BSR (bottom simulating reflector) est détectée, expliquant certaines variations d'amplitudes gênantes pour l'interprétation. L'anomalie de vitesse due au BSR disparait brusquement à travers la principale faille, implicant son imperméabilité. Sur la ligne 6, des anomalies de vitesses lentes autour des hauts de socle pourraient indiquer des échappements de fluides, mais il n'y a pas de discontinuité significative des vitesses au travers des failles. Finalement, nos résultats sont comparés à des données existantes afin de redessiner une carte structurale de l'avant arc autour du segment de Shumagin. Nous suggérons que le bassin oblique de Sanak Central est un bassin pull-apart résultant de l'apparition du partitionnement de la convergence oblique aléoutienne. Dans ce contexte, il est possibile que l'activité récente sur les failles sédimentaires à vergences continentales ne soit pas nécessairement liée à un mouvement sur le réflecteur profond. Nous concluons sur la possibilté d'investiguer à l'avenir l'origine des fluides dont on image la circulation par FWI afin de mieux répondre à la question du rôle du réflecteur profond.

  • Titre traduit

    2D long-streamer seismic waveform tomography imaging: contribution to the study of the Sanak forearc Basin, Alaska Subduction Zone


  • Résumé

    Seismic imaging is a tool for the structural geologists allowing them to extrapolate observations beyond the outcrop, and even to obtain clues on the nature of deep and inaccessible rocks. One of the most promising seismic methods is waveform tomography or full waveform inversion (FWI), an inversion technique for extracting properties of the subsurface at high resolution. For tectonic and structural purposes, the technique, difficult to apply, is very suitable for the study of shallow forearc basins. This thesis discusses the FWI application to two 45km-long 2D seismic sections crossing the Sanak forearc basin in Alaska. The objective of the thesis is to successfully apply the imaging method to this real data and also to show how the results can be useful in the context of an academic case study. For this we first introduce the Sanak forearc basin located in the Shumagin segment of the Alaska-Aleutian Subduction Zone. This segment was imaged in 2011 by the ALEUT seismic cruise. ALEUT Line 5 imaged a deep landward-dipping reflector visible from the subduction zone interface to the seabed where a scarp of 5 m is observed. This type of fault is also present in Japan in the Tohoku region, where it is associated with a mechanism explaining the shallow slip of the subduction interface during the 2011 Mw9.0 earthquake in Japan, which generated a large tsunami. In the Sanak Basin in Alaska, however, it is difficult to assess whether recent movement on this fault is significant, due to the complexity of the local sediment record. In addition, on one of the lines (ALEUT 6), the extension in the basin is mainly localized on seaward-dipping faults, a sign of slope collapse, and not so much on the landward-dipping fault. We show the difficulty of the conventional seismic methods to properly image the geometry of the basement under a thin water column and the difficulty of correlating the sedimentary horizons through the faults. Before producing the FWI images coincident with our reflectivity profiles to improve the imaging, the methodology of acoustic waveform inversion is briefly described. Streamer traveltime tomography is performed to build an accurate enough starting model for FWI. Frequency domain FWI is then applied but challenges arose due to the presence of guided waves at the shelf. Surgical mutes are applied in time domain FWI to solve the issue. After dealing with the complex distribution of sound wave velocity in the water column, the final high resolution velocity fields are obtained. The velocity field seems to be affected by bottom currents on line 5. A linear velocity inversion from a BSR (bottom simulating reflector) is detected, explaining unexpected amplitude variations troublesome for the interpretation. The velocity anomaly due to the BSR abruptly disappears through the main fault, implying its impermeability. On line 6, low velocity anomalies above the basement highs could indicate fluid escapes, but there is no significant velocity discontinuity across the faults. Finally, our results are added to legacy data in order to redraw a structural map of the forearc around the Shumagin segment. We suggest that the Sanak Central oblique basin is a pull-apart basin resulting from the onset of the partitioning of the Aleutian oblique convergence. In this contextn it is possible that recent activity on landward-dipping sedimentary faults is not necessarily related to motion on the deep reflector. We conclude on the possibility of future investigations on the origin of the imaged fluids in order to better answer the question of the role of the deep reflector.