Interprétation: Modélisation des anomalies géophysiques

Théorie…  Idéalement, l’interprétation des données géophysiques doit offrir une connaissance précise (quantitative) des structures géologiques à l’origine des anomalies  La géométrie des sources, leur profondeur, ainsi que les différents paramètres géophysiques (densité, susceptibilité, aimantation et résistivité) associés doivent donc être déterminés précisément La modélisation offre des informations + quantitatives Les différentes caractéristiques de ces structures géologiques peuvent ainsi être estimées en construisant des modèles de sous-sol, dont l’effet géophysique est comparable aux différentes anomalies observées en surface 2

Exemple de non-unicité de la modélisation: Théorie…  But: rechercher un modèle de sous-sol reproduisant au mieux l’anomalie observée en surface  Structure géologique source de l’anomalie strictement unique  Modélisation = infinité de solutions  Phénomène de non-unicité des solutions implique que ‘le problème de l’interprétation quantitative des données est mathématiquement indéterminé’ (Coulomb et Jobert, 1973). Exemple de non-unicité de la modélisation: deux sources 1 et 2, localisées à une profondeur z1 et z2 (z2>z1), de rayon r1 et r2 (r2<r1) et de densité 1 et 2 (2>1) respectivement, produisant la même anomalie de Bouguer (g) en surface 3

Théorie… Restreindre le champ infini des modèles de solutions à un ensemble fini, ou borné, de modèles géologiquement acceptables. Contraindre les gammes de paramètres géophysiques admissibles en fonction de la géologie, mais également contraindre les profondeurs, ainsi que les limites latérales des structures en fonction de données géologiques ou de forage notamment  2 approches classiquement utilisées, selon les connaissances initiales quant aux structures sous-jacentes : la modélisation inverse la modélisation directe Intégrer un certain nombre de contraintes sur la géométrie et sur les paramètres physiques 4

Théorie… a) La modélisation inverse Aucune information disponible à priori sur les structures du sous-sol modèle directement à partir de l’anomalie observée sous-sol discrétisé en volumes élémentaires, avec une loi reliant les données géophysiques aux paramètres modélisés (densité, aimantation, résistivité) Ensemble des solutions restreint en déterminant à priori un domaine de vraisemblance pour les paramètres caractéristiques des infrastructures, tels que les dimensions, les profondeurs, les paramètres densité, aimantation et résistivité 5

Théorie… a) La modélisation inverse Aucune information disponible à priori sur les structures du sous-sol modèle directement à partir de l’anomalie observée sous-sol discrétisé en volumes élémentaires, avec une loi reliant les données géophysiques aux paramètres modélisés (densité, aimantation, résistivité) Ensemble des solutions restreint en déterminant à priori un domaine de vraisemblance pour les paramètres caractéristiques des infrastructures, tels que les dimensions, les profondeurs, les paramètres densité, aimantation et résistivité b) La modélisation directe  Informations autres que les données géophysiques étudiées (coupes géologiques, forages, profils sismiques, etc.)  3 étapes: construire un modèle à partir des informations connues à priori sur la nature du sous-sol comparer directement le signal géophysique généré par le modèle avec l’anomalie observée la troisième est destinée à affiner les paramètres géométriques et physiques du modèle 6

D’après Camacho et al. (2003). Stratégie a) Inversion 3D Modélisation par maillage du milieu (GRAV3D et MAG3D)  Zone modélisée discrétisée par maillage, dont les extensions latérales varient selon la région d’intérêt, la dimension des cellules du maillage augmentant progressivement avec la profondeur  Dimension des éléments finis variable (résolution ) Modèle de maillage 3D composé d’éléments finis sous un plan de mesures gravimétriques (Gi) et magnétiques (Mi) aux stations Si de coordonnées (xi, yi, zi). D’après Camacho et al. (2003). 7

Stratégie a) Inversion 3D Modélisation par maillage du milieu (GRAV3D et MAG3D)  Zone modélisée discrétisée par maillage, dont les extensions latérales varient selon la région d’intérêt, la dimension des cellules du maillage augmentant progressivement avec la profondeur  Dimension des éléments finis variable (résolution )  Structures superposées - Strictement superficielles - Profondes  Reproduire les différentes longueurs d’onde des anomalies observées  Pb: structures aux limites progressives, souvent peu réalistes géologiquement  Modèles généraux utilisés comme une première investigation, permettant de construire des modèles 2D plus détaillés avec des limites plus précises 8

Stratégie a) Inversion 3D Modélisation par ajustement d’interface (Gmsys-3D)  Zone modélisée discrétisée par maillage, dont les extensions latérales varient selon la région d’intérêt, la dimension des cellules du maillage augmentant progressivement avec la profondeur  Dimension des éléments finis variable (résolution )  Modèles définis par un ensemble de grilles superposées, paramètres densité, susceptibilité et aimantation rémanente sont spécifiés pour chaque couche sous-jacente  Base de chaque couche et paramètres affectés progressivement ajustés lors du processus d’inversion  Interfaces bien définies entre les différentes structures 9

Stratégie b) Modélisation 2D  Données gravimétriques et magnétiques  Extension des structures modélisées infinie  réponse géophysique biaisée  Pb en partie résolu par modélisation 2D ½ ou 2D  limiter l’extension des structures perpendiculairement au profil considéré  Structures modélisées tronquées à une distance équivalente ou selon des distances différentes de part et d’autre de la section, dans le cas de modèles 2D ½ et 2D ¾ respectivement Principes de la modélisation 2D (structure a), 2D ½ (structure b) et 2D ¾ (structure c) Fonction de la distance de troncature des structures modélisées par rapport à l’axe du profil sélectionné. 10

Stratégie b) Modélisation 2D  Données gravimétriques et magnétiques 11

Stratégie b) Modélisation 2D  Données électriques  Modélisation 1D des sondages logiciel WingLink de Geosystem 12

Stratégie b) Modélisation 2D  Données électriques  Modélisation 1D des sondages logiciel WingLink de Geosystem  Sections interprétatives par maillage 2D ajusté par l’utilisateur et la topographie peut être prise en compte 13

Stratégie b) Modélisation 2D  Données électriques  Modélisation 1D des sondages logiciel WingLink de Geosystem  Sections interprétatives par maillage 2D ajusté par l’utilisateur et la topographie peut être prise en compte 14

Les paramètres géophysiques - Contraintes -Données de la littérature  Contraintes pour définir les gammes de variation de densité, d’aimantation et de résistivité au sein des modèles -Données de la littérature -Mesures in-situ 15

Les paramètres géophysiques - Contraintes a- Densité  Evaluée sur échantillons ou à une échelle macroscopique en utilisant la méthode de Nettleton  Gamme de variation entre 1.6-1.8 103 kg m-3 et 2.8-3.0 103 kg m-3 environ selon le type formation considéré Cratère Dolomieu (Ile de la Réunion) Gabbro (Salazie, Ile de la Réunion) 16

Les paramètres géophysiques - Contraintes b- Aimantation  A des formations volcaniques dominée par la composante thermorémanente de l’aimantation (TRM)  selon leurs âges, les roches considérées vont présenter une aimantation apparente normale (+) ou inverse (-)  Aimantation  avec - le degré de différenciation des laves - l’altération hydrothermale ou les hautes températures  Données issues des études paléomagnétiques 17

Les paramètres géophysiques - Contraintes b- Aimantation  0.78 Ma : transition Brunhes-Matuyama  Inversion de la polarité des anomalies 18

Les paramètres géophysiques - Contraintes c- Résistivité  Teneur en eau des roches, conductivité et T des fluides, présence de minéraux hydratés tels que les argiles ou les zéolites  Ile volcanique océanique = empilement de formations hautement perméables  Modèle ‘idéal’ de distribution de résistivité perturbé par certaines structures volcaniques 1- Zones d’intrusions (zone centrale, rift zones), les dykes subverticaux peuvent créer des barrières imperméables qui portent les corps d’eau à d’importantes élévations 19

Les paramètres géophysiques - Contraintes c- Résistivité  Teneur en eau des roches, conductivité et T des fluides, présence de minéraux hydratés tels que les argiles ou les zéolites  Ile volcanique océanique = empilement de formations hautement perméables  Modèle ‘idéal’ de distribution de résistivité perturbé par certaines structures volcaniques 1- Zones d’intrusions (zone centrale, rift zones), les dykes subverticaux peuvent créer des barrières imperméables qui portent les corps d’eau à d’importantes élévations 2- Pour une porosité donnée dans des roches non altérées, ρ dépend de celle des fluides, généralement l’eau 20

Les paramètres géophysiques - Contraintes c- Résistivité  Teneur en eau des roches, conductivité et T des fluides, présence de minéraux hydratés tels que les argiles ou les zéolites  Ile volcanique océanique = empilement de formations hautement perméables  Modèle ‘idéal’ de distribution de résistivité perturbé par certaines structures volcaniques 1- Zones d’intrusions (zone centrale, rift zones), les dykes subverticaux peuvent créer des barrières imperméables qui portent les corps d’eau à d’importantes élévations 2- Pour une porosité donnée dans des roches non altérées, ρ dépend de celle des fluides, généralement l’eau 3- Altération, et particulièrement l’altération hydrothermale la résistivité des roches par la formation de minéraux hydratés hautement conducteurs 21

Les paramètres géophysiques - Contraintes c- Résistivité 4- Zones très chaudes, dominées par la présence de vapeur, caractérisées par de fortes valeurs de résistivités de quelques milliers d’ohm.m 5- ρ d’un magma basaltique, potentiellement présent dans les intrusions à des profondeurs de quelques centaines de mètres, est seulement de quelques ohm.m 6- Dépôts pyroclastiques, formations bréchiques, présentent généralement des valeurs de résistivités inférieures à celles des coulées de laves, car elles contiennent des minéraux hydraté 22

Les paramètres géophysiques - Contraintes c- Résistivité 4- Zones très chaudes, dominées par la présence de vapeur, caractérisées par de fortes valeurs de résistivités de quelques milliers d’ohm.m 5- ρ d’un magma basaltique, potentiellement présent dans les intrusions à des profondeurs de quelques centaines de mètres, est seulement de quelques ohm.m 6- Dépôts pyroclastiques, formations bréchiques, présentent généralement des valeurs de résistivités inférieures à celles des coulées de laves, car elles contiennent des minéraux hydraté 23