Zonation for 3D aquifer characterization based on joint inversions of multimethod crosshole geophysical data

Predictive groundwater modeling requires accurate information about aquifer characteristics. Geophysical imaging is a powerful tool for delineating aquifer properties at an appropriate scale and resolution, but it suffers from problems of ambiguity. One way to overcome such limitations is to adopt a simultaneous multitechnique inversion strategy. We have developed a methodology for aquifer characterization based on structural joint inversion of multiple geophysical data sets followed by clustering to form zones and subsequent inversion for zonal parameters. Joint inversions based on cross-gradient structural constraints require less restrictive assumptions than, say, applying predefined petro-physical relationships and generally yield superior results. This approach has, for the first time, been applied to three geophysical data types in three dimensions. A classification scheme using maximum likelihood estimation is used to determine the parameters of a Gaussian mixture model that defines zonal geometries from joint-inversion tomograms. The resulting zones are used to estimate representative geophysical parameters of each zone, which are then used for field-scale petrophysical analysis. A synthetic study demonstrated how joint inversion of seismic and radar traveltimes and electrical resistance tomography (ERT) data greatly reduces misclassification of zones (down from 21.3% to 3.7%) and improves the accuracy of retrieved zonal parameters (from 1.8% to 0.3%) compared to individual inversions. We applied our scheme to a data set collected in northeastern Switzerland to delineate lithologic subunits within a gravel aquifer. The inversion models resolve three principal subhorizontal units along with some important 3D heterogeneity. Petro-physical analysis of the zonal parameters indicated approximately 30% variation in porosity within the gravel aquifer and an increasing fraction of finer sediments with depth.

A new method to estimate the infilling of alluvial sediment of glacial valleys using a sloping local base level

A new method is used to estimate the volumes of sediments of glacial valleys. This method is based on the concept of sloping local base level and requires only a digital terrain model and the limits of the alluvial valleys as input data. The bedrock surface of the glacial valley is estimated by a progressive excavation of the digital elevation model (DEM) of the filled valley area. This is performed using an iterative routine that replaces the altitude of a point of the DEM by the mean value of its neighbors minus a fixed value. The result is a curved surface, quadratic in 2D. The bedrock surface of the Rhone Valley in Switzerland was estimated by this method using the free digital terrain model Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) (~92 m resolution). The results obtained are in good agreement with the previous estimations based on seismic profiles and gravimetric modeling, with the exceptions of some particular locations. The results from the present method and those from the seismic interpretation are slightly different from the results of the gravimetric data. This discrepancy may result from the presence of large buried landslides in the bottom of the Rhone Valley.

Geostatistical inversion of seismic and GPR reflection images: what can we actually resolve?

Estimation of the spatial statistics of subsurface velocity heterogeneity from surface-based geophysical reflection survey data is a problem of significant interest in seismic and ground-penetrating radar (GPR) research. A method to effectively address this problem has been recently presented, but our knowledge regarding the resolution of the estimated parameters is still inadequate. Here we examine this issue using an analytical approach that is based on the realistic assumption that the subsurface velocity structure can be characterized as a band-limited scale-invariant medium. Our work importantly confirms recent numerical findings that the inversion of seismic or GPR reflection data for the geostatistical properties of the probed subsurface region is sensitive to the aspect ratio of the velocity heterogeneity and to the decay of its power spectrum, but not to the individual values of the horizontal and vertical correlation lengths.

Joint inversion of crosshole GPR and seismic traveltime data

Joint inversion of crosshole ground-penetrating radar and seismic data can improve model resolution and fidelity of the resultant individual models. Model coupling obtained by minimizing or penalizing some measure of structural dissimilarity between models appears to be the most versatile approach because only weak assumptions about petrophysical relationships are required. Nevertheless, experimental results and petrophysical arguments suggest that when porosity variations are weak in saturated unconsolidated environments, then radar wave speed is approximately linearly related to seismic wave speed. Under such circumstances, model coupling also can be achieved by incorporating cross-covariances in the model regularization. In two case studies, structural similarity is imposed by penalizing models for which the model cross-gradients are nonzero. A first case study demonstrates improvements in model resolution by comparing the resulting models with borehole information, whereas a second case study uses point-spread functions. Although radar seismic wavespeed crossplots are very similar for the two case studies, the models plot in different portions of the graph, suggesting variances in porosity. Both examples display a close, quasilinear relationship between radar seismic wave speed in unconsolidated environments that is described rather well by the corresponding lower Hashin-Shtrikman (HS) bounds. Combining crossplots of the joint inversion models with HS bounds can constrain porosity and pore structure better than individual inversion results can.

Constraining 3-D electrical resistance tomography with GPR reflection data forimproved aquifer characterization

Surface-based ground penetrating radar (GPR) and electrical resistance tomography (ERT) are common tools for aquifer characterization, because both methods provide data that are sensitive to hydrogeologically relevant quantities. To retrieve bulk subsurface properties at high resolution, we suggest incorporating structural information derived from GPR reflection data when inverting surface ERT data. This reduces resolution limitations, which might hinder quantitative interpretations. Surface-based GPR reflection and ERT data have been recorded on an exposed gravel bar within a restored section of a previously channelized river in northeastern Switzerland to characterize an underlying gravel aquifer. The GPR reflection data acquired over an area of 240×40 m map the aquifer's thickness and two internal sub-horizontal regions with different depositional patterns. The interface between these two regions and the boundary of the aquifer with then underlying clay are incorporated in an unstructured ERT mesh. Subsequent inversions are performed without applying smoothness constraints across these boundaries. Inversion models obtained by using these structural constraints contain subtle resistivity variations within the aquifer that are hardly visible in standard inversion models as a result of strong vertical smearing in the latter. In the upper aquifer region, with high GPR coherency and horizontal layering, the resistivity is moderately high (N300 Ωm). We suggest that this region consists of sediments that were rearranged during more than a century of channelized flow. In the lower low coherency region, the GPR image reveals fluvial features (e.g., foresets) and generally more heterogeneous deposits. In this region, the resistivity is lower (~200 Ωm), which we attribute to increased amounts of fines in some of the well-sorted fluvial deposits. We also find elongated conductive anomalies that correspond to the location of river embankments that were removed in 2002.

Inversion of multiple intersecting high-resolution crosshole GPR profiles for hydrological characterization at the Boise Hydrogeophysical Research Site

The integration of geophysical data into the subsurface characterization problem has been shown in many cases to significantly improve hydrological knowledge by providing information at spatial scales and locations that is unattainable using conventional hydrological measurement techniques. In particular, crosshole ground-penetrating radar (GPR) tomography has shown much promise in hydrology because of its ability to provide highly detailed images of subsurface radar wave velocity, which is strongly linked to soil water content. Here, we develop and demonstrate a procedure for inverting together multiple crosshole GPR data sets in order to characterize the spatial distribution of radar wave velocity below the water table at the Boise Hydrogeophysical Research Site (BHRS) near Boise, Idaho, USA. Specifically, we jointly invert 31 intersecting crosshole GPR profiles to obtain a highly resolved and consistent radar velocity model along the various profile directions. The model is found to be strongly correlated with complementary neutron porosity-log data and is further corroborated by larger-scale structural information at the BHRS. This work is an important prerequisite to using crosshole GPR data together with existing hydrological measurements for improved groundwater flow and contaminant transport modeling.

Kernel-based Mapping of Meteorological Fields in Complex Orography

Due to the advances in sensor networks and remote sensing technologies, the acquisition and storage rates of meteorological and climatological data increases every day and ask for novel and efficient processing algorithms. A fundamental problem of data analysis and modeling is the spatial prediction of meteorological variables in complex orography, which serves among others to extended climatological analyses, for the assimilation of data into numerical weather prediction models, for preparing inputs to hydrological models and for real time monitoring and short-term forecasting of weather.In this thesis, a new framework for spatial estimation is proposed by taking advantage of a class of algorithms emerging from the statistical learning theory. Nonparametric kernel-based methods for nonlinear data classification, regression and target detection, known as support vector machines (SVM), are adapted for mapping of meteorological variables in complex orography.With the advent of high resolution digital elevation models, the field of spatial prediction met new horizons. In fact, by exploiting image processing tools along with physical heuristics, an incredible number of terrain features which account for the topographic conditions at multiple spatial scales can be extracted. Such features are highly relevant for the mapping of meteorological variables because they control a considerable part of the spatial variability of meteorological fields in the complex Alpine orography. For instance, patterns of orographic rainfall, wind speed and cold air pools are known to be correlated with particular terrain forms, e.g. convex/concave surfaces and upwind sides of mountain slopes.Kernel-based methods are employed to learn the nonlinear statistical dependence which links the multidimensional space of geographical and topographic explanatory variables to the variable of interest, that is the wind speed as measured at the weather stations or the occurrence of orographic rainfall patterns as extracted from sequences of radar images. Compared to low dimensional models integrating only the geographical coordinates, the proposed framework opens a way to regionalize meteorological variables which are multidimensional in nature and rarely show spatial auto-correlation in the original space making the use of classical geostatistics tangled.The challenges which are explored during the thesis are manifolds. First, the complexity of models is optimized to impose appropriate smoothness properties and reduce the impact of noisy measurements. Secondly, a multiple kernel extension of SVM is considered to select the multiscale features which explain most of the spatial variability of wind speed. Then, SVM target detection methods are implemented to describe the orographic conditions which cause persistent and stationary rainfall patterns. Finally, the optimal splitting of the data is studied to estimate realistic performances and confidence intervals characterizing the uncertainty of predictions.The resulting maps of average wind speeds find applications within renewable resources assessment and opens a route to decrease the temporal scale of analysis to meet hydrological requirements. Furthermore, the maps depicting the susceptibility to orographic rainfall enhancement can be used to improve current radar-based quantitative precipitation estimation and forecasting systems and to generate stochastic ensembles of precipitation fields conditioned upon the orography.

Modélisation hydrologique des précipitations et des crues extrêmes dans les bassins versants alpin

Les crues et les risques de débordement des barrages, notamment des digues en terre, en cas de fortes précipitations, préoccupent depuis longtemps les autorités et la population. Les études réalisées dans les dernières années ont montré que le réchauffement global du climat s'est accompagné d'une augmentation de la fréquence des fortes précipitations et des crues en Suisse et dans de nombreuses régions du globe durant le 20ème siècle. Les modèles climatiques globaux et régionaux prévoient que la fréquence des fortes précipitations devrait continuer à croître durant le 21éme siècle en Suisse et dans le monde. Cela rend les recherches actuelles sur la modélisation des pluies et des crues à une échelle fine encore plus importantes. En Suisse, pour assurer une bonne protection sur le plan humain et économique, des cartes de précipitations maximales probables (PMP) ont été réalisées. Les PMP ont été confrontées avec les précipitations extrêmes mesurées dans les différentes régions du pays. Ces PMP sont ensuite utilisées par les modèles hydrologiques pour calculer des crues maximales probables (PMF). Cette la méthode PMP-PMF nécessite toutefois un certain nombre de précautions. Si elle est appliquée d'une manière incorrecte ou sur la base de données insuffisantes, elle peut entraîner une surestimation des débits de crue, notamment pour les grands bassins et pour les régions montagneuses entraînant des surcoûts importants. Ces problèmes résultent notamment du fait que la plupart des modèles hydrologiques répartissent les précipitations extrêmes (PMP) de manière uniforme dans le temps sur l'ensemble du bassin versant. Pour remédier ce problème, cette thèse a comme objectif principal de développer un modèle hydrologique distribué appelé MPF (Modeling Precipitation Flood) capable d'estimer la PMF de manière réaliste à partir de la PMP distribuée de manière spatio-temporelle à l'aide des nuages. Le modèle développé MPF comprend trois parties importantes. Dans la première partie, les précipitations extrêmes calculées par un modèle météorologique à une méso-échelle avec une résolution horizontale de 2 km, sont réparties à une échelle locale (25 ou 50 m) de manière non-uniforme dans l'espace et dans le temps. La deuxième partie concerne la modélisation de l'écoulement de l'eau en surface et en subsurface en incluant l'infiltration et l'exfiltration. Et la troisième partie inclut la modélisation de la fonte des neiges, basée sur un calcul de transfert de chaleur. Le modèle MPF a été calibré sur des bassins versants alpins où les données de précipitations et du débit sont disponibles pour une période considérablement longue, qui inclut plusieurs épisodes de fortes pluies avec des débits élevés. À partir de ces épisodes, les paramètres d'entrée du modèle tel que la rugosité du sol et la largeur moyenne des cours d'eau dans le cas d'écoulement de surface ont pu être estimés. Suivant la même procédure, les paramètres utilisés dans la simulation des écoulements en subsurface sont également estimés indirectement, puisque des mesures directes de l'écoulement en subsurface et de l'exfiltration sont difficiles à obtenir. Le modèle de distribution spatio-temporelle de la pluie a aussi été validé en utilisant les images radar avec la structure de la pluie provoquée par un nuage supercellulaire. Les hyétogrammes obtenus sur plusieurs points du terrain sont très proches de ceux enregistrées avec les images radar. Les résultats de la validation du modèle sur les épisodes de fortes crues présentent une bonne synchronisation entre le débit simulé et le débit observé. Cette corrélation a été mesurée avec trois critères d'efficacité, qui ont tous donné des valeurs satisfaisantes. Cela montre que le modèle développé est valide et il peut être utilisé pour des épisodes extrêmes tels que la PMP. Des simulations ont été faites sur plusieurs bassins ayant comme données d'entrée la pluie de type PMP. Des conditions variées ont été utilisées, comme la situation du sol saturé, ou non-saturé, ou la présence d'une couche de neige sur le terrain au moment de la PMP, ce qui conduit à une estimation de PMF pour des scénarios catastrophiques. Enfin, les résultats obtenus montrent comment mieux estimer la valeur de la crue de sécurité des barrages, à partir d'une pluie extrême dix-millennale avec une période de retour de 10'000 ans.

Stochastic inversion of tracer test and electrical geophysical data to estimate hydraulic conductivities.

Quantifying the spatial configuration of hydraulic conductivity (K) in heterogeneous geological environments is essential for accurate predictions of contaminant transport, but is difficult because of the inherent limitations in resolution and coverage associated with traditional hydrological measurements. To address this issue, we consider crosshole and surface-based electrical resistivity geophysical measurements, collected in time during a saline tracer experiment. We use a Bayesian Markov-chain-Monte-Carlo (McMC) methodology to jointly invert the dynamic resistivity data, together with borehole tracer concentration data, to generate multiple posterior realizations of K that are consistent with all available information. We do this within a coupled inversion framework, whereby the geophysical and hydrological forward models are linked through an uncertain relationship between electrical resistivity and concentration. To minimize computational expense, a facies-based subsurface parameterization is developed. The Bayesian-McMC methodology allows us to explore the potential benefits of including the geophysical data into the inverse problem by examining their effect on our ability to identify fast flowpaths in the subsurface, and their impact on hydrological prediction uncertainty. Using a complex, geostatistically generated, two-dimensional numerical example representative of a fluvial environment, we demonstrate that flow model calibration is improved and prediction error is decreased when the electrical resistivity data are included. The worth of the geophysical data is found to be greatest for long spatial correlation lengths of subsurface heterogeneity with respect to wellbore separation, where flow and transport are largely controlled by highly connected flowpaths.

Développement de l'interprétation quantitative de la sismique réflexion lacustre : application de l'AVO aux sédiments quaternaires dans le lac Léman

Résumé Des développements antérieurs, au sein de l'Institut de Géophysique de Lausanne, ont permis de développer des techniques d'acquisition sismique et de réaliser l'interprétation des données sismique 2D et 3D pour étudier la géologie de la région et notamment les différentes séquences sédimentaires du Lac Léman. Pour permettre un interprétation quantitative de la sismique en déterminant des paramètres physiques des sédiments la méthode AVO (Amplitude Versus Offset) a été appliquée. Deux campagnes sismiques lacustres, 2D et 3D, ont été acquises afin de tester la méthode AVO dans le Grand Lac sur les deltas des rivières. La géométrie d'acquisition a été repensée afin de pouvoir enregistrer les données à grands déports. Les flûtes sismiques, mises bout à bout, ont permis d'atteindre des angles d'incidence d'environ 40˚ . Des récepteurs GPS spécialement développés à cet effet, et disposés le long de la flûte, ont permis, après post-traitement des données, de déterminer la position de la flûte avec précision (± 0.5 m). L'étalonnage de nos hydrophones, réalisé dans une chambre anéchoïque, a permis de connaître leur réponse en amplitude en fonction de la fréquence. Une variation maximale de 10 dB a été mis en évidence entre les capteurs des flûtes et le signal de référence. Un traitement sismique dont l'amplitude a été conservée a été appliqué sur les données du lac. L'utilisation de l'algorithme en surface en consistante a permis de corriger les variations d'amplitude des tirs du canon à air. Les sections interceptes et gradients obtenues sur les deltas de l'Aubonne et de la Dranse ont permis de produire des cross-plots. Cette représentation permet de classer les anomalies d'amplitude en fonction du type de sédiments et de leur contenu potentiel en gaz. L'un des attributs qui peut être extrait des données 3D, est l'amplitude de la réflectivité d'une interface sismique. Ceci ajoute une composante quantitative à l'interprétation géologique d'une interface. Le fond d'eau sur le delta de l'Aubonne présente des anomalies en amplitude qui caractérisent les chenaux. L'inversion de l'équation de Zoeppritz par l'algorithme de Levenberg-Marquardt a été programmée afin d'extraire les paramètres physiques des sédiments sur ce delta. Une étude statistique des résultats de l'inversion permet de simuler la variation de l'amplitude en fonction du déport. On a obtenu un modèle dont la première couche est l'eau et dont la seconde est une couche pour laquelle V P = 1461 m∕s, ρ = 1182 kg∕m3 et V S = 383 m∕s. Abstract A system to record very high resolution (VHR) seismic data on lakes in 2D and 3D was developed at the Institute of Geophysics, University of Lausanne. Several seismic surveys carried out on Lake Geneva helped us to better understand the geology of the area and to identify sedimentary sequences. However, more sophisticated analysis of the data such as the AVO (Amplitude Versus Offset) method provides means of deciphering the detailed structure of the complex Quaternary sedimentary fill of the Lake Geneva trough. To study the physical parameters we applied the AVO method at some selected places of sediments. These areas are the Aubonne and Dranse River deltas where the configurations of the strata are relatively smooth and the discontinuities between them easy to pick. A specific layout was developed to acquire large incidence angle. 2D and 3D seismic data were acquired with streamers, deployed end to end, providing incidence angle up to 40˚ . One or more GPS antennas attached to the streamer enabled us to calculate individual hydrophone positions with an accuracy of 50 cm after post-processing of the navigation data. To ensure that our system provides correct amplitude information, our streamer sensors were calibrated in an anechoic chamber using a loudspeaker as a source. Amplitude variations between the each hydrophone were of the order of 10 dB. An amplitude correction for each hydrophone was computed and applied before processing. Amplitude preserving processing was then carried out. Intercept vs. gradient cross-plots enable us to determine that both geological discontinuities (lacustrine sediments/moraine and moraine/molasse) have well defined trends. A 3D volume collected on the Aubonne river delta was processed in order ro obtain AVO attributes. Quantitative interpretation using amplitude maps were produced and amplitude maps revealed high reflectivity in channels. Inversion of the water bottom of the Zoeppritz equation using the Levenberg-Marquadt algorithm was carried out to estimate V P , V S and ρ of sediments immediately under the lake bottom. Real-data inversion gave, under the water layer, a mud layer with V P = 1461 m∕s, ρ = 1182 kg∕m3 et V S = 383 m∕s.

3D crosshole ERT for aquifer characterization and monitoring of infiltrating river water

The hydrogeological properties and responses of a productive aquifer in northeastern Switzerland are investigated. For this purpose, 3D crosshole electrical resistivity tomography (ERT) is used to define the main lithological structures within the aquifer (through static inversion) and to monitor the water infiltration from an adjacent river. During precipitation events and subsequent river flooding, the river water resistivity increases. As a consequence, the electrical characteristics of the infiltrating water can be used as a natural tracer to delineate preferential flow paths and flow velocities. The focus is primarily on the experiment installation, data collection strategy, and the structural characterization of the site and a brief overview of the ERT monitoring results. The monitoring system comprises 18 boreholes each equipped with 10 electrodes straddling the entire thickness of the gravel aquifer. A multi-channel resistivity system programmed to cycle through various four-point electrode configurations of the 180 electrodes in a rolling sequence allows for the measurement of approximately 15,500 apparent resistivity values every 7 h on a continuous basis. The 3D static ERT inversion of data acquired under stable hydrological conditions provides a base model for future time-lapse inversion studies and the means to investigate the resolving capability of our acquisition scheme. In particular, it enables definition of the main lithological structures within the aquifer. The final ERT static model delineates a relatively high-resistivity, low-porosity, intermediate-depth layer throughout the investigated aquifer volume that is consistent with results from well logging and seismic and radar tomography models. The next step will be to define and implement an appropriate time-lapse ERT inversion scheme using the river water as a natural tracer. The main challenge will be to separate the superposed time-varying effects of water table height, temperature, and salinity variations associated with the infiltrating water.

Evolution and sedimentology of a channel fill in the sandy braided South Saskatchewan River and its comparison to the deposits of an adjacent compound bar

The depositional stratigraphy of within-channel deposits in sandy braided rivers is dominated by a variety of barforms (both singular `unit' bars and complex `compound' bars), as well as the infill of individual channels (herein termed `channel fills'). The deposits of bars and channel fills define the key components of facies models for braided rivers and their within-channel heterogeneity, knowledge of which is important for reservoir characterization. However, few studies have sought to address the question of whether the deposits of bars and channel fills can be readily differentiated from each other. This paper presents the first quantitative study to achieve this aim, using aerial images of an evolving modern sandy braided river and geophysical imaging of its subsurface deposits. Aerial photographs taken between 2000 and 2004 document the abandonment and fill of a 1 3 km long, 80 m wide anabranch channel in the sandy braided South Saskatchewan River, Canada. Upstream river regulation traps the majority of very fine sediment and there is little clay (<1%) in the bed sediments. Channel abandonment was initiated by a series of unit bars that stalled and progressively blocked the anabranch entrance, together with dune deposition and stacking at the anabranch entrance and exit. Complete channel abandonment and subsequent fill of up to 3 m of sediment took approximately two years. Thirteen kilometres of ground-penetrating radar surveys, coupled with 18 cores, were obtained over the channel fill and an adjacent 750 m long, 400 m wide, compound bar, enabling a quantitative analysis of the channel and bar deposits. Results show that, in terms of grain-size trends, facies proportions and scale of deposits, there are only subtle differences between the channel fill and bar deposits which, therefore, renders them indistinguishable. Thus, it may be inappropriate to assign different geometric and sedimentological attributes to channel fill and bar facies in object-based models of sandy braided river alluvial architecture.

Development of a 3D very high-resolution seismic reflection system for lacustrine settings - a case study over a thrust fault zone in Lake Geneva

Un système efficace de sismique tridimensionnelle (3-D) haute-résolution adapté à des cibles lacustres de petite échelle a été développé. Dans le Lac Léman, près de la ville de Lausanne, en Suisse, des investigations récentes en deux dimension (2-D) ont mis en évidence une zone de faille complexe qui a été choisie pour tester notre système. Les structures observées incluent une couche mince (<40 m) de sédiments quaternaires sub-horizontaux, discordants sur des couches tertiaires de molasse pentées vers le sud-est. On observe aussi la zone de faille de « La Paudèze » qui sépare les unités de la Molasse du Plateau de la Molasse Subalpine. Deux campagnes 3-D complètes, d?environ d?un kilomètre carré, ont été réalisées sur ce site de test. La campagne pilote (campagne I), effectuée en 1999 pendant 8 jours, a couvert 80 profils en utilisant une seule flûte. Pendant la campagne II (9 jours en 2001), le nouveau système trois-flûtes, bien paramétrés pour notre objectif, a permis l?acquisition de données de très haute qualité sur 180 lignes CMP. Les améliorations principales incluent un système de navigation et de déclenchement de tirs grâce à un nouveau logiciel. Celui-ci comprend un contrôle qualité de la navigation du bateau en temps réel utilisant un GPS différentiel (dGPS) à bord et une station de référence près du bord du lac. De cette façon, les tirs peuvent être déclenchés tous les 5 mètres avec une erreur maximale non-cumulative de 25 centimètres. Tandis que pour la campagne I la position des récepteurs de la flûte 48-traces a dû être déduite à partir des positions du bateau, pour la campagne II elle ont pu être calculées précisément (erreur <20 cm) grâce aux trois antennes dGPS supplémentaires placées sur des flotteurs attachés à l?extrémité de chaque flûte 24-traces. Il est maintenant possible de déterminer la dérive éventuelle de l?extrémité des flûtes (75 m) causée par des courants latéraux ou de petites variations de trajet du bateau. De plus, la construction de deux bras télescopiques maintenant les trois flûtes à une distance de 7.5 m les uns des autres, qui est la même distance que celle entre les lignes naviguées de la campagne II. En combinaison avec un espacement de récepteurs de 2.5 m, la dimension de chaque «bin» de données 3-D de la campagne II est de 1.25 m en ligne et 3.75 m latéralement. L?espacement plus grand en direction « in-line » par rapport à la direction «cross-line» est justifié par l?orientation structurale de la zone de faille perpendiculaire à la direction «in-line». L?incertitude sur la navigation et le positionnement pendant la campagne I et le «binning» imprécis qui en résulte, se retrouve dans les données sous forme d?une certaine discontinuité des réflecteurs. L?utilisation d?un canon à air à doublechambre (qui permet d?atténuer l?effet bulle) a pu réduire l?aliasing observé dans les sections migrées en 3-D. Celui-ci était dû à la combinaison du contenu relativement haute fréquence (<2000 Hz) du canon à eau (utilisé à 140 bars et à 0.3 m de profondeur) et d?un pas d?échantillonnage latéral insuffisant. Le Mini G.I 15/15 a été utilisé à 80 bars et à 1 m de profondeur, est mieux adapté à la complexité de la cible, une zone faillée ayant des réflecteurs pentés jusqu?à 30°. Bien que ses fréquences ne dépassent pas les 650 Hz, cette source combine une pénétration du signal non-aliasé jusqu?à 300 m dans le sol (par rapport au 145 m pour le canon à eau) pour une résolution verticale maximale de 1.1 m. Tandis que la campagne I a été acquise par groupes de plusieurs lignes de directions alternées, l?optimisation du temps d?acquisition du nouveau système à trois flûtes permet l?acquisition en géométrie parallèle, ce qui est préférable lorsqu?on utilise une configuration asymétrique (une source et un dispositif de récepteurs). Si on ne procède pas ainsi, les stacks sont différents selon la direction. Toutefois, la configuration de flûtes, plus courtes que pour la compagne I, a réduit la couverture nominale, la ramenant de 12 à 6. Une séquence classique de traitement 3-D a été adaptée à l?échantillonnage à haute fréquence et elle a été complétée par deux programmes qui transforment le format non-conventionnel de nos données de navigation en un format standard de l?industrie. Dans l?ordre, le traitement comprend l?incorporation de la géométrie, suivi de l?édition des traces, de l?harmonisation des «bins» (pour compenser l?inhomogénéité de la couverture due à la dérive du bateau et de la flûte), de la correction de la divergence sphérique, du filtrage passe-bande, de l?analyse de vitesse, de la correction DMO en 3-D, du stack et enfin de la migration 3-D en temps. D?analyses de vitesse détaillées ont été effectuées sur les données de couverture 12, une ligne sur deux et tous les 50 CMP, soit un nombre total de 600 spectres de semblance. Selon cette analyse, les vitesses d?intervalles varient de 1450-1650 m/s dans les sédiments non-consolidés et de 1650-3000 m/s dans les sédiments consolidés. Le fait que l?on puisse interpréter plusieurs horizons et surfaces de faille dans le cube, montre le potentiel de cette technique pour une interprétation tectonique et géologique à petite échelle en trois dimensions. On distingue cinq faciès sismiques principaux et leurs géométries 3-D détaillées sur des sections verticales et horizontales: les sédiments lacustres (Holocène), les sédiments glacio-lacustres (Pléistocène), la Molasse du Plateau, la Molasse Subalpine de la zone de faille (chevauchement) et la Molasse Subalpine au sud de cette zone. Les couches de la Molasse du Plateau et de la Molasse Subalpine ont respectivement un pendage de ~8° et ~20°. La zone de faille comprend de nombreuses structures très déformées de pendage d?environ 30°. Des tests préliminaires avec un algorithme de migration 3-D en profondeur avant sommation et à amplitudes préservées démontrent que la qualité excellente des données de la campagne II permet l?application de telles techniques à des campagnes haute-résolution. La méthode de sismique marine 3-D était utilisée jusqu?à présent quasi-exclusivement par l?industrie pétrolière. Son adaptation à une échelle plus petite géographiquement mais aussi financièrement a ouvert la voie d?appliquer cette technique à des objectifs d?environnement et du génie civil.<br/><br/>An efficient high-resolution three-dimensional (3-D) seismic reflection system for small-scale targets in lacustrine settings was developed. In Lake Geneva, near the city of Lausanne, Switzerland, past high-resolution two-dimensional (2-D) investigations revealed a complex fault zone (the Paudèze thrust zone), which was subsequently chosen for testing our system. Observed structures include a thin (<40 m) layer of subhorizontal Quaternary sediments that unconformably overlie southeast-dipping Tertiary Molasse beds and the Paudèze thrust zone, which separates Plateau and Subalpine Molasse units. Two complete 3-D surveys have been conducted over this same test site, covering an area of about 1 km2. In 1999, a pilot survey (Survey I), comprising 80 profiles, was carried out in 8 days with a single-streamer configuration. In 2001, a second survey (Survey II) used a newly developed three-streamer system with optimized design parameters, which provided an exceptionally high-quality data set of 180 common midpoint (CMP) lines in 9 days. The main improvements include a navigation and shot-triggering system with in-house navigation software that automatically fires the gun in combination with real-time control on navigation quality using differential GPS (dGPS) onboard and a reference base near the lake shore. Shots were triggered at 5-m intervals with a maximum non-cumulative error of 25 cm. Whereas the single 48-channel streamer system of Survey I requires extrapolation of receiver positions from the boat position, for Survey II they could be accurately calculated (error <20 cm) with the aid of three additional dGPS antennas mounted on rafts attached to the end of each of the 24- channel streamers. Towed at a distance of 75 m behind the vessel, they allow the determination of feathering due to cross-line currents or small course variations. Furthermore, two retractable booms hold the three streamers at a distance of 7.5 m from each other, which is the same distance as the sail line interval for Survey I. With a receiver spacing of 2.5 m, the bin dimension of the 3-D data of Survey II is 1.25 m in in-line direction and 3.75 m in cross-line direction. The greater cross-line versus in-line spacing is justified by the known structural trend of the fault zone perpendicular to the in-line direction. The data from Survey I showed some reflection discontinuity as a result of insufficiently accurate navigation and positioning and subsequent binning errors. Observed aliasing in the 3-D migration was due to insufficient lateral sampling combined with the relatively high frequency (<2000 Hz) content of the water gun source (operated at 140 bars and 0.3 m depth). These results motivated the use of a double-chamber bubble-canceling air gun for Survey II. A 15 / 15 Mini G.I air gun operated at 80 bars and 1 m depth, proved to be better adapted for imaging the complexly faulted target area, which has reflectors dipping up to 30°. Although its frequencies do not exceed 650 Hz, this air gun combines a penetration of non-aliased signal to depths of 300 m below the water bottom (versus 145 m for the water gun) with a maximum vertical resolution of 1.1 m. While Survey I was shot in patches of alternating directions, the optimized surveying time of the new threestreamer system allowed acquisition in parallel geometry, which is preferable when using an asymmetric configuration (single source and receiver array). Otherwise, resulting stacks are different for the opposite directions. However, the shorter streamer configuration of Survey II reduced the nominal fold from 12 to 6. A 3-D conventional processing flow was adapted to the high sampling rates and was complemented by two computer programs that format the unconventional navigation data to industry standards. Processing included trace editing, geometry assignment, bin harmonization (to compensate for uneven fold due to boat/streamer drift), spherical divergence correction, bandpass filtering, velocity analysis, 3-D DMO correction, stack and 3-D time migration. A detailed semblance velocity analysis was performed on the 12-fold data set for every second in-line and every 50th CMP, i.e. on a total of 600 spectra. According to this velocity analysis, interval velocities range from 1450-1650 m/s for the unconsolidated sediments and from 1650-3000 m/s for the consolidated sediments. Delineation of several horizons and fault surfaces reveal the potential for small-scale geologic and tectonic interpretation in three dimensions. Five major seismic facies and their detailed 3-D geometries can be distinguished in vertical and horizontal sections: lacustrine sediments (Holocene) , glaciolacustrine sediments (Pleistocene), Plateau Molasse, Subalpine Molasse and its thrust fault zone. Dips of beds within Plateau and Subalpine Molasse are ~8° and ~20°, respectively. Within the fault zone, many highly deformed structures with dips around 30° are visible. Preliminary tests with 3-D preserved-amplitude prestack depth migration demonstrate that the excellent data quality of Survey II allows application of such sophisticated techniques even to high-resolution seismic surveys. In general, the adaptation of the 3-D marine seismic reflection method, which to date has almost exclusively been used by the oil exploration industry, to a smaller geographical as well as financial scale has helped pave the way for applying this technique to environmental and engineering purposes.<br/><br/>La sismique réflexion est une méthode d?investigation du sous-sol avec un très grand pouvoir de résolution. Elle consiste à envoyer des vibrations dans le sol et à recueillir les ondes qui se réfléchissent sur les discontinuités géologiques à différentes profondeurs et remontent ensuite à la surface où elles sont enregistrées. Les signaux ainsi recueillis donnent non seulement des informations sur la nature des couches en présence et leur géométrie, mais ils permettent aussi de faire une interprétation géologique du sous-sol. Par exemple, dans le cas de roches sédimentaires, les profils de sismique réflexion permettent de déterminer leur mode de dépôt, leurs éventuelles déformations ou cassures et donc leur histoire tectonique. La sismique réflexion est la méthode principale de l?exploration pétrolière. Pendant longtemps on a réalisé des profils de sismique réflexion le long de profils qui fournissent une image du sous-sol en deux dimensions. Les images ainsi obtenues ne sont que partiellement exactes, puisqu?elles ne tiennent pas compte de l?aspect tridimensionnel des structures géologiques. Depuis quelques dizaines d?années, la sismique en trois dimensions (3-D) a apporté un souffle nouveau à l?étude du sous-sol. Si elle est aujourd?hui parfaitement maîtrisée pour l?imagerie des grandes structures géologiques tant dans le domaine terrestre que le domaine océanique, son adaptation à l?échelle lacustre ou fluviale n?a encore fait l?objet que de rares études. Ce travail de thèse a consisté à développer un système d?acquisition sismique similaire à celui utilisé pour la prospection pétrolière en mer, mais adapté aux lacs. Il est donc de dimension moindre, de mise en oeuvre plus légère et surtout d?une résolution des images finales beaucoup plus élevée. Alors que l?industrie pétrolière se limite souvent à une résolution de l?ordre de la dizaine de mètres, l?instrument qui a été mis au point dans le cadre de ce travail permet de voir des détails de l?ordre du mètre. Le nouveau système repose sur la possibilité d?enregistrer simultanément les réflexions sismiques sur trois câbles sismiques (ou flûtes) de 24 traces chacun. Pour obtenir des données 3-D, il est essentiel de positionner les instruments sur l?eau (source et récepteurs des ondes sismiques) avec une grande précision. Un logiciel a été spécialement développé pour le contrôle de la navigation et le déclenchement des tirs de la source sismique en utilisant des récepteurs GPS différentiel (dGPS) sur le bateau et à l?extrémité de chaque flûte. Ceci permet de positionner les instruments avec une précision de l?ordre de 20 cm. Pour tester notre système, nous avons choisi une zone sur le Lac Léman, près de la ville de Lausanne, où passe la faille de « La Paudèze » qui sépare les unités de la Molasse du Plateau et de la Molasse Subalpine. Deux campagnes de mesures de sismique 3-D y ont été réalisées sur une zone d?environ 1 km2. Les enregistrements sismiques ont ensuite été traités pour les transformer en images interprétables. Nous avons appliqué une séquence de traitement 3-D spécialement adaptée à nos données, notamment en ce qui concerne le positionnement. Après traitement, les données font apparaître différents faciès sismiques principaux correspondant notamment aux sédiments lacustres (Holocène), aux sédiments glacio-lacustres (Pléistocène), à la Molasse du Plateau, à la Molasse Subalpine de la zone de faille et la Molasse Subalpine au sud de cette zone. La géométrie 3-D détaillée des failles est visible sur les sections sismiques verticales et horizontales. L?excellente qualité des données et l?interprétation de plusieurs horizons et surfaces de faille montrent le potentiel de cette technique pour les investigations à petite échelle en trois dimensions ce qui ouvre des voies à son application dans les domaines de l?environnement et du génie civil.

Quantification of the relation between surface morphodynamics and subsurface sedimentological product in sandy braided rivers

This study uses digital elevation models and ground-penetrating radar to quantify the relation between the surface morphodynamics and subsurface sedimentology in the sandy braided South Saskatchewan River, Canada. A unique aspect of the methodology is that both digital elevation model and ground-penetrating radar data were collected from the same locations in 2004, 2005, 2006 and 2007, thus enabling the surface morphodynamics to be tied explicitly to the associated evolving depositional product. The occurrence of a large flood in 2005 also allowed the influence of discharge to be assessed with respect to the processproduct relationship. The data demonstrate that the morphology of the study reach evolved even during modest discharges, but more extensive erosion was caused by the large flood. In addition, the study reach was dominated by compound bars before the flood, but switched to being dominated by unit bars during and after the flood. The extent to which the subsurface deposits (the product') were modified by the surface morphodynamics (the process') was quantified using the changes in radar-facies recorded in sequential ground-penetrating radar surveys. These surveys reveal that during the large flood there was an increase in the proportion of facies associated with bar margin accretion and larger dunes. In subsequent years, these facies became truncated and replaced with facies associated with smaller dune sets. This analysis shows that unit bars generally become truncated more laterally than vertically and, thus, they lose the high-angle bar margin deposits and smaller scale bar-top deposits. In general, the only fragments that remain of the unit bars are dune sets, thus making identification of the original unit barform problematic. This novel data set has implications for what may ultimately become preserved in the rock record.