Case studies on fluids and seismicity in submarine environments based on Ocean Bottom Seismometers (OBS) recordings from the Sea of Marmara and application to the Niger Delta
Relations entre fluides et sismicité dans le domaine sous-marin à partir de sismographes de fond de mer : étude de cas en Mer de Marmara et Application au Delta du Niger
Résumé
The present work addresses the issue on fluids and deformation coupling in marine environments, a subject of crucial importance for natural (e.g. earthquakes, landslides) and industrial (e. g. stability of drilling platforms) hazards. Three case studies are presented: the first two concern the Sea of Marmara (Turkey), an area highly exposed to earthquake hazards due to its proximity to a seismic gap along the North Anatolian Fault; the third concerns an oilfield area situated on the continental slope offshore Nigeria, in the eastern part of the deep-water Niger Delta. The first case study in the Sea of Marmara concerns the microseismic activity below the western escarpment of the Tekirdag Basin. Our work shows that the tectonic activity in this area contributes to maintain a high permeability in the fault system, enabling fluids, likely related to the oilfields present in the Thrace Basin, to rise up to the seabed. The second case study addresses the question of the origin of non-seismic signals recorded by the OBSs (Ocean Bottom Seismometers). These signals, called micro-events, are characterized by frequency contents between 10 and 30 Hz and short durations (mainly between 200 and 600 msec). Our work shows that these micro-events are related to gas escape on the seafloor. Hence, OBSs provide unexpected information on degassing processes in the upper sediments. The third case study, located on the deep-water Niger Delta, reveals that the combination of closely spaced piezometers and OBSs enables to follow the evolution of gas accumulation and release in superficial sediments, a critical issue for mitigating gas-related geohazards during oil extraction activities offshore. This work also underlines the necessity to have permanent networks of cabled seafloor observatories in the Sea of Marmara, together with a 3D velocity model taking into account the strong lateral heterogeneities of the velocity structure. The velocity structure of the offshore domain being very different from the onshore domain, the combination of land and marine seismological datasets has proven to be very difficult. In addition, it is here recommended to develop multi-parameter approaches, including tools and methods for combining all different datasets and detecting anomalous signals that could eventually be identified as indicators that a potentially dangerous situation is developing. To meet such an objective, research on the physical processes must be carried out simultaneously, along with algorithmic developments.
Le présent travail de thèse aborde la question du couplage entre fluides et déformation en milieu sous-marin, un sujet d'importance dans le domaine des risques, naturels (séismes, glissements de terrain) ou industriels (stabilité des plateformes de forage en mer, par exemple). Trois études de cas sont présentées : les deux premières concernent la Mer de Marmara, en Turquie, une zone fortement exposée au risque sismique, du fait de la proximité de la Faille Nord-Anatolienne ; la troisième concerne une zone pétrolifère offshore, sur la pente continentale du delta profond du Niger. La première étude de cas en Mer de Marmara porte sur l'activité micro-sismique qui caractérise l'escarpement ouest du Bassin de Tekirdag. Notre étude montre que la déformation contribue à maintenir des perméabilités élevées associées au réseau de failles sous l'escarpement, ce qui permet aux fluides de remonter des réservoirs gaziers du Bassin de Thrace jusqu'à la surface. La deuxième étude de cas porte sur des micro-évènements enregistrés par les sismographes de fond de mer, non sismiques, de courtes durées (200 à 600 msec), et caractérisés par des fréquences comprises entre 10 et 30 Hz. Notre étude montre que ces micro-évènements sont liés à des expulsions de gaz. Les OBS fournissent donc des informations inattendues pour l'étude des processus de dégazage naturel en fond de mer. La troisième étude de cas, sur la pente continentale du Nigeria, démontre que la combinaison de piézomètres et d'OBS voisins en fond de mer permet de suivre l'évolution des phases d'accumulation et de vidange de gaz dans les sédiments superficiels. La détection et la surveillance des phénomènes de dégazage naturel en fond de mer est d'une importance qui pourrait s'avérer critique dans les zones d'exploitation pétrolière en domaine offshore. D'une manière générale, ce travail plaide pour la nécessité : i) de disposer de plusieurs réseaux d'observatoires sous-marins câblés en Mer de Marmara et d'un modèle de vitesse-3D rendant compte du fort gradient de vitesses sismiques dans les couches superficielles (la structure de vitesses du domaine sous-marin étant radicalement différente de celle du domaine émergé, la combinaison des données sismologiques à terre et en mer s'avère très difficile); ii) de développer des approches de surveillance multi-paramètres. Pour chaque paramètre, il est nécessaire de connaître la variabilité naturelle "normale", de manière à détecter les variations anormales. La recherche sur les processus physiques et le développement algorithmique doivent être conduits de front.
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