Imagery of the thermohaline structure in the Gulf of Cadiz: Processing of seismical and physical oceanography data of the Mediterranean Outflow Water

Imagerie de la structure thermohaline dans le Golfe de Cadix: Traitement des données sismiques et d'océanographie physique de la Veine d'Eau Méditerranéenne

Elise Quentel (1, 2)

1 LDO - Domaines Océaniques
2 UEB - Université européenne de Bretagne - European University of Brittany

The rediscovery in 2003 by Holbrook et al. that the water column could be imaged by marine seismic reflection data has led to the initiation of the European GO (Geophysical Oceanography) project. This project aims to improve our comprehension of the oceanic meso and submesoscale structure, with particular application to the Gulf of Cadiz. The Gulf of Cadiz has a complex thermohaline structure. The work presented in this thesis is directly related to this project. By reprocessing the historical marine seismics and hydrology data, we began to resuscitate the large database which exists on this area. Thus, we demonstrate that marine seismic data can image the mesoscale to submesoscale oceanographic structures at a horizontal resolution of 10 m. Hydrologic data which have a vertical resolution around 1 m calibrate the seismic data in temperature and salinity. To relate our two databases, we searched a precise definition of the seismic signal, which is the reflection coefficient convoluted with the source wavelet of the acquisition system. However, all the terms are not known and we still have to improve our knowledge of the seismic signal. Nevertheless, the main factor influencing the seismic signal is temperature via the sound speed gradient. Marine seismic and hydrological data from the GO cruise acquired simultanously in the Gulf of Cadiz in April 2007 have been analyzed to determine the physical nature and geometric characteristics of acoustic reflectors in the water column. Seismic data show strong reflectors near the surface, above the Mediterranean Water (MW) undercurrents, above a meddy, and in a submesoscale MW structure. Wavelet analysis of seismic data indicates these reflectors have vertical wavelengths of 16-64 m and are associated with thermo-haline layering. At the edge of a meddy, lateral intrusions of less saline water are revealed by reflectors with 25-75 m thickness. Seismic data reveal that upper and lower boundaries of the layers match to the existence of the fine-scale structures. Marine seismic data (Low Frequency) allow systematic detection and monitoring of mesoscale and submesoscale eddies that hydrological sections identify only occasionally.

La redécouverte en 2003 par Holbrook et al. que la colonne d'eau pouvait être imagée par la méthode de la sismique marine a débouché sur la mise en place du projet européen GO (Geophysical Oceanography). Ce projet a eu pour but d'améliorer notre compréhension de la structure à méso et sous-méso-échelle de l'océan en étudiant plus particulièrement le Golfe de Cadix où une structure thermohaline complexe est présente. Les travaux présentés dans ce travail de thèse s'inscrivent directement dans ce projet. En retraitant des données historiques de sismique marine et d'hydrologie, nous avons réhabilité le jeu de données conséquent qui existait sur cette zone. Nous avons ainsi démontré que ces données de sismique marine permettaient d'imager les structures océanographiques de la méso-échelle à la sous-mésoéchelle avec une résolution horizontale d'environ 10 m. Les données d'hydrologie dont la résolution verticale est inférieure au mètre nous permettent de calibrer les données de sismique marine en température et salinité. Afin de relier nos deux jeux de données, nous avons cherché à définir le signal sismique. Celui-ci est reconstruit en convoluant le coefficient de réflexion avec l'ondelette source du système d'acquisition sismique. Le principal facteur influençant le signal sismique est la température via le gradient de vitesse du son. Les données de sismique marine et d'hydrologie de la campagne GO acquises simultanément dans le Golfe de Cadix en Avril 2007 ont ensuite été analysées pour déterminer la nature physique et les caractéristiques géométriques des réflecteurs acoustiques dans la colonne d'eau. Les données sismiques montrent des réflecteurs intenses, proches de la surface, au-dessus des courants d'Eau Méditerranéenne (EM), au-dessus d'un Meddy, et dans une structure de sous-méso-échelle de l'EM qui sont liés à de forts contrastes thermohalins. L'analyse en ondelettes verticales appliquées aux données sismiques indique des réflecteurs de longueurs d'onde verticales (16-64 m) associées à une stratification thermohaline. En bordure du Meddy, des intrusions latérales d'eau moins salée sont révélées par des réflecteurs de 25-75 m d'épaisseur. Les données sismiques étudiées révèlent que les limites supérieures et inférieures des couches correspondent à l'existence de structures à fine-échelle. Les données basse fréquence de sismique marine permettent la détection systématique et la surveillance des tourbillons de mésoéchelle et de sous-méso-échelle qui ne sont identifiés qu'occasionnellement avec les sections d'hydrologie.

Mots clés: Physical oceanography; Marine seismic; hydrology; mesoscale structures; submesoscale structures; finescale structures; Mediterranean Water.

Mots clés: Océanographie physique; Sismique marine; hydrologie; structures méso-échelle; structures sous-méso-échelle; structures fine-échelle; Eau Méditerranéenne.

Domaines: Géophysique [physics.geo-ph]

Elise Quentel. Imagerie de la structure thermohaline dans le Golfe de Cadix: Traitement des données sismiques et d'océanographie physique de la Veine d'Eau Méditerranéenne. Géophysique [physics.geo-ph]. Université de Bretagne occidentale - Brest, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00495963⟩