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Constraint inversion of magnetotelluric and three-dimensional gravimity to image geothermal resources : implication on the distribution of the resource in the Republic of Djibouti
No full textAvant d’exploiter une ressource géothermique dans un contexte volcanique tel que le rift d’Asal, il est nécessaire d'acquérir une meilleure connaissance du sous-sol, pour l’objectif de localiser le réservoir géothermique et évaluer la ressource (perméabilité, température, etc.). Pour ce type de ressource, les méthodes d’exploration géophysiques sont essentielles (comme par exemple la gravimétrie, la sismique, la magnétotellurique, etc.). Cependant, un type de donnée particulier n’a pas nécessairement la résolution et la sensibilité. De plus, les inversions individuelles de ces données géophysiques sont confrontées à l’ambiguïté de la non-unicité de la solution inverse. Dans le cadre de ma thèse, je présente une nouvelle approche linéaire de l’inversion gravimétrique en utilisant la contrainte du modèle de résistivité MT. Ces approches ont été testées et validées sur des données synthétiques. J’ai appliqué la technique de l'analyse en composantes principales afin de synthétiser les modèles de densité obtenue sur le rift d’Asal. A l’échelle du rift d’Asal, j’ai pu définir deux processus dominants agissant différemment sur la densité et la distribution de la résistivité en profondeur, à savoir l'activité géothermique du rift et le contrôle structural de la tectonique active. Dans les zones des forages, les modèles obtenus ont mis en évidence la distribution de la fracturation et des failles.Before exploiting a geothermal resource in a volcanic context such as the Asal rift, it is necessary to acquire a better understanding of the subsurface, with the aim of locating the geothermal reservoir and assessing the resource (permeability, temperature, etc.). For this type of resource, geophysical exploration methods are essential (e.g. gravity, seismic, magnetotelluric, etc.). However, one particular type of data does not necessarily have the resolution and sensitivity. Moreover, individual inversions of these geophysical data are confronted with the ambiguity of the non-uniqueness of the inverse solution. In my thesis, I present a new linear approach to gravity inversion using the constraint of the MT resistivity model. This approach has been tested and validated on synthetic data. I applied the technique of principal component analysis to synthesize the density models obtained on the Asal rift. At the scale of the Asal rift, I was able to define two dominant processes acting differently on density and resistivity distribution at depth, namely rift geothermal activity and the structural control of active tectonics. In the drilling zones, the models obtained highlighted the distribution of fracturing and faults
Geophysical joint inversion applied to deep geothermal exploration in french Massif Central
No full textLe développement de l’énergie géothermique a conduit à l’exploitation de ressources établies dans des contextes géologiques et géodynamiques très variés. L’exploration géophysique de ces réservoirs complexes nécessite l’utilisation de plusieurs méthodes d’imagerie complémentaire. Ce travail de thèse porte sur l’exploration d’une ressource géothermique située en contexte de socle fracturé dans le Massif Central français par magnétotellurique, tomographie de bruit ambiant et gravimétrie.La magnétotellurique est une méthode d’imagerie 3D résolvante qui est sensible à la présence d’eau et aux argiles d’altération hydrothermale mais limitée par sa couverture spatiale. La tomographie de bruit sismique présente une bonne résolution verticale mais ne résout pas les variations horizontales de vitesse. Cette méthode est sensible aux variations des propriétés mécaniques des roches et donc aux milieux fracturés. Enfin la gravimétrie apporte une contrainte sur les variations lithologiques et possède une bonne résolution latérale mais une faible résolution verticale.Nous présentons une méthode d’inversion conjointe des données sismiques et gravimétriques sous contrainte d’un modèle de résistivité obtenu par inversion magnétotellurique indépendante. L’inversion conjointe nécessite de définir des couplages entre modèles. Par absence de connaissance a priori de relations pétrophysiques, nous avons couplé les modèles de densité, de résistivité et de vitesse avec une loi qui contraint les paramètres à être corrélés en moyenne. Cette stratégie vise à faire ressortir des relations caractéristiques des objets géologiques de la ressource géothermique.Cette méthodologie d’inversion conjointe a été testée sur des modèles synthétiques. L’application aux données réelles acquises dans le Massif Central a permis de définir une zone en profondeur de forte corrélation interprétée comme la transition ductile fragile. La partie intermédiaire des modèles, plus homogène, permet de distinguer différentes unités géologiques séparées par une zone de faille. Enfin la partie superficielle se distingue par une forte hétérogénéité des paramètres résultants probablement de processus d’altération de surface.The development of geothermal energy has led to the exploitation of resources established in varied geological and geodynamic contexts. Geophysical exploration of these complex reservoirs requires the use of several complementary imaging methods. This PhD thesis focuses on the exploration of a geothermal resource located within the fractured basement in the French Massif Central using magnetotelluric, ambient noise tomography and gravimetry. Magnetotelluric is a 3D imaging method with a good resolution power that is sensitive to the presence of water and hydrothermal weathering clays but is limited by its spatial coverage. Seismic noise tomography has a good vertical resolution but does not resolve well horizontal velocity variations. This method is sensitive to variations of the mechanical properties of rocks and thus to fractured media. Finally gravimetry brings constraint on the lithological variations and has a good lateral resolution but lacks vertical resolution.We present a method of joint inversion of seismic and gravimetric data under the constraint of a resistivity model obtained by independent magnetotelluric inversion. Joint inversion requires defining model couplings. By lack of prior knowledge of petrophysical relationships, we have coupled the density, resistivity and velocity models with a law that constraints the parameters to be correlated on average.This strategy aims to bring out the characteristic relationships of the geological objects of the geothermal resource. This joint inversion methodology has been tested on synthetic models. The application to the real data acquired in the Massif Central has made it possible to define a deep zone of high correlation interpreted as the fragile ductile transition. The intermediate part of the models, more homogeneous, allows to distinguish different geological units separated by a fault zone. Finally the superficial part is distinguished by strong heterogeneity of the parameters resulting probably from surface alteration process
Characterisation of free gas/gas hydrate systems in the Black Sea based on deep-towed high-resolution multichannel seismic imaging (SYSIF)
No full textThe study of marine gas hydrates in great water depths using seismic data is limited by the resolution of current acquisition systems. The acquisition of very highresolution multichannel deep-towed seismic data aims to break this limitation. Deep-towed seismic system can provide seismic data with metric vertical resolution when the proper processing sequence is employed. However, the processing of deep-towed multichannel data is challenging as the source and receivers are constantly moving with respect to each other. In the first part of this PhD project, we developed processing methods tailored to the acquisition system SYstème SIsmique de Fond (SYSIF), developed by Ifremer. The processing sequence allows vertical and lateral resolutions up to 0.65 m and 1.7 m, respectively. We have also introduced a new workflow, based on wave-equation datuming, that allows the application of conventional processing algorithms to large deep-towed seismic data sets. The second part of this work aims at better defining the dynamic in play in the gas hydrate system of the western Black Sea using deep-towed seismic data acquired during the GHASS project (Gas Hydrates, fluid Activities and Sediment deformations in the western Black Sea). The area recently underwent a major environmental change and it remains a matter of debate as to whether the large gas hydrate system has reached a steady-state since the last glacial maximum. We show that the reequilibrium of the gas hydrate system is a slow process and is not occurring homogeneously. The Black Sea example highlights that dissociation of methane hydrates and the associated methane release in the water column are unlikely to occur as a run-away dissociation.L'étude des hydrates de gaz marins à grandes profondeurs d'eau à l'aide de données sismiques est limitée par la résolution des systèmes d'acquisition actuels. L'acquisition de données sismiques remorquées en fond de mer multitraces très haute résolution vise à briser cette limitation. Un système sismique remorqué en profondeur peut fournir des données sismiques avec une résolution verticale métrique lorsque la séquence de traitement appropriée est utilisée. Cependant, le traitement des données multitraces remorquées en fond de mer est complexe car la source et les récepteurs se déplacent constamment l'un par rapport à l'autre. Dans la première partie de ce projet de thèse, nous avons développé des méthodes de traitement adaptées au système d'acquisition SYstème SIsmique de Fond (SYSIF), développé par l'Ifremer. La séquence de traitement permet d’obtenir des résolutions verticales et latérales jusqu'à 0,65 m et 1,7 m, respectivement. Nous avons également introduit un nouveau workflow, basé sur le datuming par équation d’onde, qui permet l'application d'algorithmes de traitement conventionnels à de larges ensembles de données sismiques remorquées en fond de mer. La deuxième partie de ces travaux vise à mieux définir la dynamique en jeu dans le système hydrates de gaz de la mer Noire occidentale à l'aide de données sismiques remorquées en fond de mer acquises lors du projet GHASS (Hydrates de gaz, activités fluides et déformations sédimentaires dans la Mer Noire occidentale). La région a récemment subi un changement environnemental majeur et la question de savoir si le système hydrate a atteint un état stable depuis le dernier maximum glaciaire reste débattue. Nous montrons ici que le rééquilibre du système hydrates de gaz est un processus lent et ne se produit pas de manière homogène. L'exemple de la mer Noire met en évidence que la dissociation des hydrates de méthane et le dégagement de méthane dans la colonne d'eau sont peu susceptibles de se produire sous forme de dissociation catastrophique
Characterization of the electrical internal structure of Mars from electromagnetic induction method using Mars Global Surveyor satellite magnetic data
No full textLes méthodes d'induction électromagnétique permettent de caractériser la conductivité électrique des matériaux, dont les corps planétaires telluriques, depuis les couches superficielles de la croûte jusqu'aux zones les plus internes, dans le manteau inférieur. Pour une source de champ électromagnétique donnée, des courants sont induits dans les matériaux qui y sont soumis. Avec l'essor des données magnétiques satellitaires, de nouvelles méthodes d'analyse des données magnétiques permettent d'obtenir des images unidimensionnelles de la structure électrique de ces corps car la structure spatio-temporelle de la source électromagnétique en est bien connue. Les travaux de mon doctorat ont eu pour but de mettre en place une nouvelle méthode d'analyse permettant de déterminer des modèles de structure interne globaux pour n'importe quel corps du système solaire pour lequel on dispose de longues séries temporelles magnétiques satellitaires. Après avoir testé cette méthode sur des modèles synthétiques et l'avoir appliqué au cas de données réelles terrestre pour lesquelles des études d'induction électromagnétiques antérieurs permettent d'avoir un a priori sur le modèle de conductivité électrique attendu, nous avons obtenu les premiers modèles de conductivité électrique martien en utilisant les données magnétiques du satellite Mars Global Surveyor. Ces résultats nous ont permis de valider des modèles de structure interne antérieurs établis à partir d'analyses géochimiques et minéralogiques des météorites martiennes. Cette méthode innovante est aujourd'hui la seule capable d'obtenir une image électrique des manteaux telluriques à partir de données magnétiques satellitaires pour des corps autres que la Terre ou la Lune et pour lesquels aucun a priori sur la structure spatio-temporelle du champ électromagnétique inducteur externe n'est nécessaire.My Ph.D. work consists in the investigation of satellite magnetic data to infer the deep internal conductivity distribution. I developed a new global electromagnetic induction method applied to planetary magnetic datasets without strong a priori hypothesis on the external inducing source field. My method is based on a spectral correction of gapped data magnetic time series to restore the time spectral content of the source field. This external source depends on the planetary environment and is therefore different for each planetary bodies. The method aims at recovering with a maximum accuracy internal and external spherical harmonic coefficients of transients fields, whose ratio is used as a transfer function to retrieve the internal distribution of electrical conductivity. While for the Earth, a good proxy of the source field activity is the Dst index, no such proxy exists for other planets. Hence, for our study of Mars transient magnetic field from MGS, one of the major part of my work is the determination of an appropriate continuous proxy for the external variability. On Earth the external electromagnetic source is well known, and may be described by a spherical harmonic geometry dominated by the dipole term. This source field may be characterized using a magnetic activity index named the Dst index. The method has been tested on synthetic data generated within the framework of SWARM mission. This mission consists of a 3 satellites constellation. One of the main objectives is to infer the 3D electrical distribution in the deep Earth. SWARM synthetic data consist in a time series of spherical harmonic (SH) coefficients, external and internal, generated from a simple non-realistic 3D model. In this model, several regional and local conductors, in a radially symmetric 3 layers model have been embedded. Using this dataset, our method give satisfactory results. We have been able to obtain the external and internal SH coefficients - for the first SH degree, which is known to be the most energetic degree of the external source - using only one of the 3 synthetic time series. Then, the method has been used on real data from Ørsted. In this case, we had to pre-process the data to correct from ionospheric and aligned currents contributions. We developed a statistical analysis to remove the ionospheric field using 2 geomagnetic indices : AL and Kp. Hence, we have enlarged data toward higher and lower latitudinal zones than what has been done in previous works. Finally, we have been able to obtain 1D conductivity models, which fits reasonably with existing conductivity data in the deep Earth. Finally, we worked on Mars Global Surveyor (MGS) data. One of the most time consuming parts of this work was the determination of an appropriate continuous proxy for the external variability in the vicinity of Mars. Without any measurements of the IMF (Interplanetary Magnetic Field) during MGS sciences acquisition, we have used ACE (Advanced Composition Explorer) data. This satellite orbits around the L1 point of the Sun-Earth system, measuring solar wind magnetic characteristics. We have time-shifted ACE data to Mars position for 4 temporal windows where Mars and Earth were closed to the same Parker's spiral's arm, and finally determined a proxy explaining the major part of the variability observed in Mars data. Despite numerous gaps in MGS data, we have been able to establish the 1D conductivity distribution, fitting reasonably existing geochemical models. Although the method may be unstable for some cases, we obtained satisfactory results for in depth conductivity of the planet
A new approach in the study of the marine sub-surface : joint use of electromagnetism, multichannel seismics and geotechnics
No full textL’étude de la géologie du sous-sol marin est une phase fondamentale dès que l’on a besoin de connaître les propriétés physiques ou mécaniques du sous-sol. Les méthodes géophysiques réalisent d’abord des mesures à distance avec des systèmes tractés derrière le navire, et se caractérisent par une couverture rapide et peu coûteuse du site étudié, et des données fournies au mieux à l’échelle métrique. Les essais géotechniques donnent ensuite des mesures ponctuelles à l’échelle centimétrique, directement sur le sous-sol marin, in situ ou en laboratoire sur échantillons. Ces approches sont complémentaires mais différentes et leur utilisation conjointe est donc complexe. Nous cherchons à améliorer la mise en commun de ces données de nature et d’échelle différentes afin d’optimiser l’information géologique finale. Cette thèse utilise deux méthodes d’imagerie géophysique : la sismique multitrace très haute résolution, mesurant l’amplitude acoustique et la vitesse des ondes P ; et la tomographie marine de résistivité électrique (MERT). Un traitement optimisé leur est appliqué pour améliorer la résolution et la qualité des modèles. Une approche conjointe est développée entre la sismique et la MERT via l’inversion contrainte 1D. Les modèles géophysiques sont ensuite confrontés aux données géotechniques disponibles en utilisant le proxy de la porosité. La méthodologie est testée en Baie de Concarneau, site comportant du gaz dans les sédiments, et au large de Saint-Nazaire, sur un plateau rocheux karstique. Elle a montré son efficacité en apportant une information supplémentaire sur la géologie (e.g., caractéristiques pétrophysiques du sédiment gazeux, niveau d’hétérogénéité du calcaire) tout en contournant les limites physiques intrinsèques aux techniques considérées individuellement.The study of the marine sub-surface is a critical phase as soon as we need to know the physical and mechanical properties of the soil. First, geophysical methods provide remote measurements with systems towed behind a vessel. These data are characterized by a rapid and inexpensive coverage of the study area to give geological information at a meter scale at best. Second, geotechnical tests provide punctual but very high resolution (every centimeter) data, taken directly in the subsurface, in situ or in a laboratory on extracted samples. These approaches are complementary but different which makes their joint use complex. We try to improve the integration of these data sets to improve the final geological information. This thesis uses two geophysical methods: ultra-high resolution multichannel seismic imaging, giving the acoustic amplitude and the P-wave velocity in the medium; and the marine electrical resistivity tomography (MERT) giving the distribution of the electrical resistivity in the sub-surface. An optimized processing workflow is applied to each data set to improve the precision and the quality of the models. We developed a joint approach between seismic imaging and MERT using 1D constrained inversion of the resistivity. The geophysical models are then compared to the available geotechnical data using the porosity as linking parameter. The method is tested in the Bay of Concarneau (France), a site characterized by gas in the sediments, and off the Saint-Nazaire harbour (France), on a calcareous plateau showing karstification. The method worked successfully by adding new geological information on both sites (e.g., petrophysical behaviour of the gassy sediment, heterogeneity level of the calcarenite) while circumventing individual limitations of each technique
Joint inversion of land, airborne and nearshore electromagnetic data for the characterization of high-temperature geothermal reservoirs in coastal areas of volcanic islands
No full textCette thèse présente des avancées dans la caractérisation de réservoirs géothermiques à haute température en zone littorale volcanique insulaire par méthodes électromagnétiques (EM). Nous avons combiné les méthodes Magnéto-tellurique (MT) et Électromagnétique à Source Contrôlée (CSEM) sur terre et en mer pour améliorer la caractérisation du réservoir. D'abord, nous examinons les limites de la méthode CSEM dans le contexte côtier, puis nous présentons une nouvelle campagne d'acquisition MT et CSEM à terre et en mer dans la région de Bouillante en Guadeloupe, qui constitue le jeu de données de la thèse. Nous discutons ensuite des nouveaux développements réalisés dans le code de modélisation et d'inversion 3D disponible afin de tenir compte de l’interface terre/mer et des variations de topographie et bathymétrie. Nous montrons l'intérêt de l'inversion jointe MT et CSEM à l'aide de données synthétiques. En dernier lieu, nous inversons séparément les données de terrain MT et CSEM de Bouillante. Les modèles 3D de résistivité électrique obtenus présentent une très bonne continuité terre/mer et affinent le modèle conceptuel d'exploration géothermique de la région, posant les bases de futures campagnes d'exploration multi-méthodes et multi-échelles EM sur d'autres îles des Caraïbes ou ailleurs.This thesis presents advances in the characterization of high-temperature geothermal reservoirs in coastal volcanic island areas using electromagnetic (EM) methods. We have combined Magnetotelluric (MT) and Controlled Source Electromagnetic (CSEM) methods on land and nearshore to improve reservoir characterization. First, we examine the limitations of the CSEM method in the coastal context, then present a new onshore and offshore MT and CSEM acquisition campaign in the Bouillante region of Guadeloupe, which comprises the dataset of the thesis. We then discuss new developments in the available 3D modeling and inversion code to account for the land/sea interface and variations in topography and bathymetry. We demonstrate the benefits of joint MT and CSEM inversion using synthetic data. Finally, we separately invert MT and CSEM field data from Bouillante. The 3D electrical resistivity models obtained exhibit excellent land/sea continuity and refine the conceptual model for geothermal exploration in the region, laying the foundations for future multi-method, multi-scale EM exploration campaigns on other Caribbean islands or in different locations
Imagerie du sous-sol marin par électromagnétisme (CSEM) - WP1.5
No full textUn équipement innovant pour la cartographie de la résistivité électrique du sous-sol adaptée à l’étude des processus entrainés par les fluide
Continental lithospheric rupture in the East African Rift : contribution of the joint inversion
No full textL'inversion conjointe géophysique est la méthode la plus efficace pour imager l'intérieur de la Terre. En intégrant plusieurs techniques géophysiques elle permet de réduire les incertitudes inhérentes à chacune et ainsi améliorer la compréhension de la Terre. Dans cette étude, nous utilisons les techniques des fonctions récepteur (RF) en sismologie, de la magnétotellurique (MT) et de la gravimétrie qui permettent de caractériser respectivement la vitesse des ondes S, la résistivité électrique et la densité du sous-sol.Le but de ce travail de recherche se divise en deux parties: une première, méthodologique, sur le développement d'une nouvelle approche d'inversion conjointe en 3D et une deuxième avec l'application de ces techniques (en approche jointe ou séparée) sur la Divergence Nord Tanzanienne pour mieux comprendre le phénomène de rupture continentale. Pour la partie méthodologie deux approches ont été développées : une entre les données de MT et de gravimétrie avec un calcul original de l'effet gravimétrique de la topographie qui permet de réduire le nombre de mailles tout en gardant une résolution satisfaisante ; et une deuxième méthode entre les données de MT et de RF par une nouvelle approche d'extrapolation des modèles 1D de vitesse en pseudo modèle 3D de vitesse. L'application de ces techniques sur la Tanzanie a permis de mettre en évidence un certain nombre de structures lithosphériques dont deux zones majeures à faible vitesse dans la croûte inférieure et dans le manteau supérieur. Cette dernière semble refléter des interactions entre des structures héritées d'âge protérozoïque et le panache mantellique Africain.Geophysical joint inversion attempts to reproduce as best as possible the interior of the Earth. By integrating several geophysical techniques the joint inversion reduces the uncertainties of each methods and improves our understanding of the Earth structure. In this study we use the receiver functions (RF), the magnetotelluric (MT) and the gravity methods which enable to charaterize the Swave velocity, the electrical resistivity and the density, respectively. The objective of this research work is divided in two parts; first with the development of a new 3D joint inversion approach and then with the application of these methods (on a joint or separate approach) on the North Tanzanian Divergence to better understand the continental breakup.For the methodologic part two approaches have been developed; one between the MT and gravity data with an original computation of the topographic effect which decreases the number of cells while keeping a satisfaying resolution. And a second method between the MT and RF data where pseudo 3D velocity model are created and combined with the MT models to better takes into account the physical properties of the receiver function. The application of these methods on the Tanzania highlighted several lithospheric structures and particularly two low-velocity areas in the lower crust and the upper mantle. This latter suggests interactions with Proterozoic inherited structures and the African plume material
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