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La géologie du golfe du Mexique (GOM) est dynamique, dirigée non pas par la tectonique des plaques mais par le mouvement des corps salins de subsurface. Les dépôts de sel, vestiges d’un océan qui existait il y a quelque 200 millions d’années, se comportent d’une certaine manière lorsqu’ils sont recouverts de sédiments lourds. Ils se compactent, se déforment, se pressent dans les fissures et se gonflent dans les matériaux sus-jacents.

Cette tectonique du sel continue de sculpter les strates géologiques et le plancher océanique dans le GOM comme peu d’autres endroits sur Terre. En raison de cette tectonique saline et de l’apport constant de sédiments dans le bassin par les rivières, le plancher océanique du GOM est un terrain en constante évolution. La bathymétrie est mûre avec des failles et des escarpements actifs, des blocs d’effondrement et des glissements, des canyons et des canaux, des vagues de sédiments, des pockmarks et des volcans de boue, et d’autres suintements naturels de pétrole et de gaz.

À présent, un nouvel ensemble de données régionales sur les fonds marins créé par le Bureau of Ocean Energy Management (BOEM) du ministère américain de l’Intérieur révèle cet environnement dynamique avec une nouvelle clarté étonnante. Les données comprennent des relevés sismiques détaillés réalisés à l’origine par 15 sociétés différentes impliquées dans l’industrie pétrolière et gazière. Le BOEM a obtenu la permission de diffuser publiquement les données propriétaires pertinentes dans une carte agrégée du plancher océanique téléchargeable gratuitement.

Fig. 1. Grille de bathymétrie en eaux profondes du nord du golfe du Mexique créée à partir de relevés sismiques tridimensionnels. La grille définit la profondeur de l’eau avec 1,4 milliard de cellules de 12 × 12 mètres et est disponible en pieds et en mètres. La couverture de la grille du BOEM est limitée à la zone définie par les couleurs arc-en-ciel. Le relief ombragé est exagéré verticalement par un facteur de 5. Les emplacements des figures 2 à 9 sont annotés. Crédit : BOEM

Avec une résolution aussi fine que 149 mètres carrés par pixel, soit à peu près l’empreinte d’une maison individuelle américaine, la carte bathymétrique du BOEM a une résolution au moins 16 fois supérieure à celle de la carte historiquement utilisée pour le nord du GOM. La plupart de ces pixels de la taille d’une maison dans la nouvelle carte sont à 1, 2 et 3 kilomètres de profondeur sous l’eau, et le produit en contient 1,4 milliard, ce qui en fait une carte gigapixel.

Comment le sel est-il arrivé là ?

On suppose que le sel a précipité de l’eau de mer hypersaline lorsque l’Afrique et l’Amérique du Sud se sont éloignées de l’Amérique du Nord au cours du Trias et du Jurassique, il y a environ 200 millions d’années. Le GOM était initialement un bassin fermé et restreint dans lequel l’eau de mer s’est infiltrée puis évaporée dans un climat aride, provoquant l’hypersalinité (similaire à ce qui s’est passé dans le Grand Lac Salé dans l’Utah et la Mer Morte entre Israël et la Jordanie).

Le sel a rempli le bassin à des profondeurs de milliers de mètres jusqu’à ce qu’il soit ouvert à l’océan Atlantique ancestral et retrouve par conséquent une circulation marine ouverte et des salinités normales. Au fil des temps géologiques, les deltas fluviaux et les microfossiles marins ont déposé des milliers de mètres supplémentaires de sédiments dans le bassin, par-dessus l’épaisse couche de sel.

Le sel, soumis à l’immense pression et à la chaleur d’être enterré à des kilomètres de profondeur, s’est déformé comme du mastic au fil du temps, suintant vers le haut en direction du plancher océanique. Le sel en mouvement a fracturé et faussé les sédiments fragiles sus-jacents, créant à son tour des voies naturelles pour que le pétrole et le gaz profonds s’infiltrent vers le haut à travers les fissures et forment des réservoirs dans les couches géologiques moins profondes.

L’ancien ? Pas si vite

La carte de bathymétrie la plus populaire du nord du Golfe du Mexique a été la version générée dans les années 1990 par la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), le National Geophysical Data Center (NGDC) et le Gulf of Mexico Coastal Ocean Observing System (GCOOS) de l’A&M du Texas. Les organisations l’ont compilé à l’aide de données provenant de divers levés sonar multifaisceaux et de lignes sismiques bidimensionnelles espacées de plusieurs kilomètres, ce qui permet d’obtenir une résolution allant jusqu’à 2500 mètres carrés par pixel. Il s’agit d’une excellente résolution, géophysiquement parlant, et depuis 2 décennies, la carte est un ensemble de données régionales respecté et populaire au sein de la science, du monde universitaire et de l’industrie pétrolière et gazière.

Figure 2. Bassin de Horseshoe dans l’ouest du Golfe du Mexique, comparé à l’aide (à gauche) de la carte bathymétrique historique de la NOAA et (à droite) de la nouvelle carte du BOEM. Le bassin contient un dôme de sel en son centre et est flanqué de nappes de sel. Le mouvement du sel est évident d’après le réseau de failles et de rifts exprimés sur le plancher océanique autour du bassin, ainsi que d’après les flux de débris de sédiments que l’on voit tomber le long des pentes du bassin et sur son plancher. Crédit : BOEM

La nouvelle carte du BOEM, dérivée exclusivement de données sismiques tridimensionnelles, ne couvre pas une aussi grande superficie que la carte NOAA/NGDC/GCOOS, mais sa résolution améliorée et la taille constante des pixels révèlent des caractéristiques géologiques non découvertes et auparavant mal résolues sur la pente continentale, la province des minibasins salins, la plaine abyssale, le cône du Mississippi, ainsi que le plateau et l’escarpement de la Floride. Cependant, en raison de la couverture plus réduite de la nouvelle carte, la carte historique continuera à être très utile.

Figure 3. La nouvelle carte du BOEM étend de plusieurs centaines de kilomètres la visualisation de Joshua Channel sur la plaine abyssale de l’est du Golfe du Mexique par rapport aux anciennes données. Il est visible sur le plancher océanique sur 280 kilomètres, bien au-delà des limites de cette image, et 240 kilomètres supplémentaires sont enfouis sous des systèmes sédimentaires plus jeunes et des draperies boueuses. Les recherches du BOEM ont permis d’établir un lien amont-aval avec la rivière des Perles ancestrale en Louisiane, et des complexes canal-levée d’échelle similaire ont été observés dans le cône amazonien. Crédit : BOEM

Base de données sismiques du BOEM

Les chercheurs du BOEM ont construit la carte à l’aide de la base de données confidentielle de relevés sismiques tridimensionnels du BOEM, chaque relevé ayant été initialement tiré par l’industrie pétrolière et gazière dans sa recherche d’hydrocarbures. En tant que bureau responsable de la délivrance des permis de levés géophysiques dans les eaux fédérales offshore, le Code des règlements fédéraux des États-Unis réserve au BOEM le droit de demander une copie de chaque levé après qu’il a été traité et nettoyé pour répondre à des normes de qualité spécifiques.

Après avoir reçu un levé d’un entrepreneur géophysique ou d’une compagnie pétrolière, les scientifiques du BOEM utilisent les données pour aider à d’autres tâches réglementaires importantes, comme l’évaluation de la géologie pour les réservoirs potentiels et découverts de pétrole et de gaz. En 2017, cette base de données sismiques tridimensionnelles confidentielles couvrait 350 000 kilomètres carrés dans le golfe du Mexique, une zone plus grande que l’État du Nouveau-Mexique. Les sondages les plus anciens de cette base de données remontent aux années 1980.

Deepwater Horizon et la première carte intégrée

Dans un effort continu depuis 1998, le BOEM a utilisé cette base de données pour cartographier le plancher océanique à travers des centaines de sondages dans le but d’identifier les substrats de sol dur potentiels aux suintements de pétrole et de gaz d’origine naturelle qui conviennent aux communautés benthiques de coraux et d’organismes chimiosynthétiques (par exemple, les moules, les palourdes et les vers tubulaires). Ces organismes consomment les hydrocarbures et le sulfure d’hydrogène libérés par ces suintements.

Lorsque la tragique marée noire de Deepwater Horizon s’est produite en 2010, les biologistes marins de la division d’évaluation des dommages aux ressources naturelles de la NOAA avaient besoin d’une carte détaillée des fonds marins entourant l’incident pour modéliser combien de ces communautés benthiques ont pu être affectées. Les biologistes de la NOAA, conscients de la vaste base de données sur les fonds marins du BOEM, ont demandé à ses géoscientifiques de créer une carte semi-régionale que la NOAA pourrait utiliser pour modéliser la zone affectée par le panache de pétrole.

L’effort a nécessité que les chercheurs conçoivent une méthode pour combiner leurs multiples cartes superposées des fonds marins de la région du déversement, réalisées à l’aide de différentes études sismiques 3D, en une seule surface quadrillée. Grâce à cela, l’idée d’une carte gigapixel encore plus large est née.

Créer une grille gigapixel

Ayant développé la méthode et livré la carte aux biologistes, les géoscientifiques ont réalisé le potentiel dont ils disposaient : Ils pouvaient combiner le reste de leurs cartes du plancher océanique pour couvrir la majeure partie du nord du GOM en eaux profondes.

Les géoscientifiques duBOEM ont utilisé des levés 3-D à migration temporelle (dans lesquels la profondeur est présentée en millisecondes parcourues par la sismique induite ou passive, et non en pieds ou en mètres) pour créer la grille originale. Les chercheurs ont ensuite attribué des profondeurs aux cellules de la grille en utilisant un algorithme développé par Advocate et Hood . Ils ont ensuite comparé la grille de profondeur résultante avec plus de 300 pénétrations de puits à travers le GOM pour déterminer l’erreur de conversion temps-profondeur, qui était en moyenne de 1,3% de la profondeur de l’eau.

L’erreur moyenne la plus élevée, 5%, se produit à des profondeurs d’eau inférieures à 150 mètres en raison de la nature de l’acquisition sismique conventionnelle en eaux peu profondes et de la grande variabilité de la température et de la salinité en eaux peu profondes, qui affectent la vitesse du son dans l’eau. Les scientifiques du BOEM ont décidé que les données sismiques acquises sur le plateau peu profond du GOM contiennent souvent trop de bruit pour que l’interprète du plancher océanique puisse déterminer avec précision où l’eau se termine et où les sédiments commencent. Cela signifie que la carte du BOEM ne pouvait pas inclure certaines zones du plateau, ce qui la rend plus petite que la carte historique de la NOAA, qui couvre bien le plateau.

Dans la plage de profondeur de 500 à 3300 mètres (où la plus grande partie de la grille existe), on a calculé que l’erreur moyenne était inférieure à 0,5% de la profondeur de l’eau. Cette faible erreur signifiait que les données de ces profondeurs révéleraient la bathymétrie régionale en eau profonde à la résolution la plus fine jamais créée.

Figure 4. Méga-sillons creusés dans l’escarpement de Sigsbee et la plaine abyssale autour de Green Knoll, au centre du Golfe du Mexique. Les champs de sillons (voir image de droite), non visibles sur la grille de bathymétrie précédente (image de gauche), s’étendent sur plus de 200 kilomètres le long et en face de l’escarpement. Ils se forment lorsque les courants, mesurés jusqu’à 2 nœuds, creusent le plancher océanique. Les mégafurrows, découverts pour la première fois en 1999 par les données du Texas A&M sur les profondeurs, peuvent avoir une profondeur de 1 à 10 mètres et une largeur de 5 à 50 mètres . Crédit : BOEM

Faire une carte globale

Les géoscientifiques ont commencé avec plus de 200 cartes individuelles du plancher océanique créées à partir de levés 3D datant de la fin des années 1980 aux années 2010. Dans la partie américaine du golfe du Mexique, peu de zones ne sont couvertes que par un seul relevé (certaines sont couvertes par quatre ou plus), et les interprètes devaient les comparer les unes aux autres pour déterminer laquelle a été réalisée à partir des meilleures données. Ils ont créé une mosaïque de plus de 100 de leurs cartes de bathymétrie de la plus haute qualité, couvrant des profondeurs d’eau de 40 à 3379 mètres et interprétées sur des levés sismiques tirés à l’origine par 15 sociétés géophysiques différentes.

Même si le BOEM conserve des copies de toutes les données sismiques, les sociétés d’origine conservent la propriété légale pendant une période de 25 ans. Les fusions et acquisitions au fil des ans ont fait qu’au lieu de devoir demander à 15 sociétés l’autorisation de publier, le BOEM n’a dû la demander qu’à 7 : CGG Services (U.S.), Inc. ; ExxonMobil Corporation ; Petroleum Geo-Services (PGS) ; Seitel, Inc.; Spectrum USA ; TGS-NOPEC Geophysical Company ; et WesternGeco, LLC.

Obtenir la permission de ces sept sociétés a pris des mois, beaucoup plus longtemps que prévu, mais finalement, le BOEM a reçu toutes les autorisations nécessaires et a commencé le processus de publication. La nouvelle grille haute résolution est téléchargeable sur le site web du BOEM. Le site propose également des couches SIG qui classent plus de 34 000 caractéristiques du plancher océanique telles que les pockmarks, les chenaux, les sols durs, les volcans de boue, les suintements naturels et autres.

Les figures 5 à 9 montrent les détails de la carte gigapixel du GOM du BOEM, le résultat de 19 années d’efforts de cartographie.

Figure 5. Dunes subaquatiques et pockmarks sur la pente continentale supérieure dans le nord-ouest du Golfe du Mexique. Les mégadunes longitudinales mesurent 0,5-1 kilomètre de crête à crête, 1-10 kilomètres de long et 3-10 mètres de haut. On trouve des amoncellements au sommet du Nueces Dome (en haut au centre) et, dans l’ensemble du Golfe, les amoncellements se trouvent dans une plage de profondeur d’eau de 300 à 600 mètres. Dans cette région, on a attribué la formation de ces cratères à la dissociation explosive d’hydrates de méthane naturels à la suite de la migration vers le bassin de la zone de stabilité des hydrates pendant l’abaissement du niveau de la mer du glacier du Wisconsin. Le BOEM a identifié plus de 4000 pockmarks dans les eaux fédérales du nord du Golfe du Mexique. Crédit : BOEM
Figure 6. Monticules d’expulsion de gaz avec plissement et faille de chevauchement adjacents causés par la migration latérale du sel dans le sud du bassin de Terrebonne, dans le centre du golfe du Mexique. L’image illustre certaines des caractéristiques formées par les processus dynamiques qui façonnent le Golfe, en particulier la tectonique du sel et le suintement naturel d’hydrocarbures. Les failles de chevauchement et les plissements sont dus au mouvement latéral du sel, orienté vers le sud-est. C’est le mouvement du sel qui donne au plancher océanique du golfe du Mexique sa nature ridée, créant également des failles et des réseaux de fractures qui fournissent des voies pour les suintements de pétrole et de gaz. Ces monticules d’expulsion particuliers ont été formés à la suite du compactage et de la compression du bassin, ce qui a entraîné une migration du gaz vers le haut . Crédit : BOEM
Figure 7. Nouveaux détails spectaculaires des canyons d’Alaminos et de Perdido et de leurs éventails associés, ouest du Golfe du Mexique. Les canyons entonnent les sédiments pour créer un système d’éventail bassin-plancher entremêlé de centaines de mètres d’épaisseur. L’échantillonnage des carottes a permis de déterminer que le drainage du Rio Grande fournit des sédiments grossiers et sableux au système Perdido , tandis que les carottes et les diagraphies de puits dans le canyon Alaminos révèlent principalement des sédiments d’eau profonde à grain fin . Crédit : BOEM

Figure 8. Un dôme de sel a soulevé des sédiments peu profonds dans la plaine abyssale de l’est du Golfe du Mexique. Les caractéristiques d’expulsion et de dépression suggèrent un suintement naturel continu de fluide et/ou de gaz. Lorsque les dômes de sel se déplacent vers le bas par rapport aux bassins de sédiments qui s’affaissent autour d’eux, les sédiments situés au sommet des dômes sont soulevés et forment des monticules sur le plancher océanique. Sur ce dôme, le mouvement a créé un réseau de failles d’extension divisant le monticule en trois coins. Les failles peuvent également fournir des voies de migration des fluides et/ou des gaz, comme l’indique ici la dépression circulaire, ou pockmark, sur la face sud-est du monticule, et une caractéristique d’expulsion avec un cratère sur le côté nord-ouest. Crédit : BOEM
Figure 9. Comparaison d’une région de la partie supérieure du talus continental dans le nord-ouest du Golfe du Mexique, à l’aide (à gauche) de la carte bathymétrique historique de la NOAA et (à droite) de la nouvelle carte bathymétrique du BOEM. La grille de la NOAA combinait des zones de bathymétrie sonar multifaisceaux largement espacées avec d’autres données plus grossièrement espacées provenant de lignes sismiques 2-D, fournissant une résolution pas plus fine que 50 mètres. La grille du BOEM utilise des données sismiques en 3-D tout au long du parcours, offrant une résolution aussi détaillée que 12 mètres. Crédit : BOEM

Remerciements

Nous remercions CGG Services (U.S.), Inc ; ExxonMobil Corporation ; PGS ; Seitel, Inc. ; Spectrum USA ; TGS-NOPEC Geophysical Company ; et WesternGeco, LLC pour nous avoir accordé la permission de publier leurs données.

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