Response of a multi-domain continental margin to compression: Study from seismic reflection-refraction and numerical modelling in the Tagus Abyssal Plain

The effects of the Miocene through Present compression in the Tagus Abyssal Plain are mapped using the most up to date available to scientific community multi-channel seismic reflection and refraction data. Correlation of the rift basin fault pattern with the deep crustal structure is presented along seismic line IAM-5. Four structural domains were recognized. In the oceanic realm mild deformation concentrates in Domain I adjacent to the Tore-Madeira Rise. Domain 2 is characterized by the absence of shortening structures, except near the ocean-continent transition (OCT), implying that Miocene deformation did not propagate into the Abyssal Plain, In Domain 3 we distinguish three sub-domains: Sub-domain 3A which coincides with the OCT, Sub-domain 3B which is a highly deformed adjacent continental segment, and Sub-domain 3C. The Miocene tectonic inversion is mainly accommodated in Domain 3 by oceanwards directed thrusting at the ocean-continent transition and continentwards on the continental slope. Domain 4 corresponds to the non-rifted continental margin where only minor extensional and shortening deformation structures are observed. Finite element numerical models address the response of the various domains to the Miocene compression, emphasizing the long-wavelength differential vertical movements and the role of possible rheologic contrasts. The concentration of the Miocene deformation in the transitional zone (TC), which is the addition of Sub-domain 3A and part of 3B, is a result of two main factors: (1) focusing of compression in an already stressed region due to plate curvature and sediment loading; and (2) theological weakening. We estimate that the frictional strength in the TC is reduced in 30% relative to the surrounding regions. A model of compressive deformation propagation by means of horizontal impingement of the middle continental crust rift wedge and horizontal shearing on serpentinized mantle in the oceanic realm is presented. This model is consistent with both the geological interpretation of seismic data and the results of numerical modelling.

Imaging molasse and quaternary sediments in Lake Geneva, Switzerland, with 3-D high-resolution seismic reflection methods: A case study

A high-resolution three-dimensional (3-D) seismic reflection survey was conducted in Lake Geneva, near the city of Lausanne, Switzerland, as part of a project for developing such seismic techniques. Using a single 48-channel streamer, the 3-D site with an area of 1200 m x 600 m was surveyed in 10 days. A variety of complex geologic structures (e.g. thrusts, folds, channel-fill) up to similar to150 m below the water bottom were obtained with a 15 in.(3) water gun. The 3-D data allowed the construction of an accurate velocity model and the distinction of five major seismic facies within the Lower Freshwater Molasse (Aquitanian) and the Quaternary sedimentary units. Additionally, the Plateau Molasse (PM) and Subalpine Molasse (SM) erosional surface, "La Paudeze" thrust fault (PM-SM boundary) and the thickness of Quaternary sediments were accurately delineated in 3-D.

Development of a system for 3D high-resolution seismic reflection profiling on lakes

A high-resolution three-dimensional (3D) seismic reflection system for small-scale targets in lacustrine settings has been developed. Its main characteristics include navigation and shot-triggering software that fires the seismic source at regular distance intervals (max. error of 0.25 m) with real-time control on navigation using differential GPS (Global Positioning System). Receiver positions are accurately calculated (error < 0.20 m) with the aid of GPS antennas attached to the end of each of three 24-channel streamers. Two telescopic booms hold the streamers at a distance of 7.5 m from each other. With a receiver spacing of 2.5 m, the bin dimension is 1.25 m in inline and 3.75 m in crossline direction. To test the system, we conducted a 3D survey of about 1 km(2) in Lake Geneva, Switzerland, over a complex fault zone. A 5-m shot spacing resulted in a nominal fold of 6. A double-chamber bubble-cancelling 15/15 in(3) air gun (40-650 Hz) operated at 80 bars and 1 m depth gave a signal penetration of 300 m below water bottom and a best vertical resolution of 1.1 m. Processing followed a conventional scheme, but had to be adapted to the high sampling rates, and our unconventional navigation data needed conversion to industry standards. The high-quality data enabled us to construct maps of seismic horizons and fault surfaces in three dimensions. The system proves to be well adapted to investigate complex structures by providing non-aliased images of reflectors with dips up to 30 degrees.

Estimation of the correlation structure of crustal velocity heterogeneity from seismic reflection data

Numerous sources of evidence point to the fact that heterogeneity within the Earth's deep crystalline crust is complex and hence may be best described through stochastic rather than deterministic approaches. As seismic reflection imaging arguably offers the best means of sampling deep crustal rocks in situ, much interest has been expressed in using such data to characterize the stochastic nature of crustal heterogeneity. Previous work on this problem has shown that the spatial statistics of seismic reflection data are indeed related to those of the underlying heterogeneous seismic velocity distribution. As of yet, however, the nature of this relationship has remained elusive due to the fact that most of the work was either strictly empirical or based on incorrect methodological approaches. Here, we introduce a conceptual model, based on the assumption of weak scattering, that allows us to quantitatively link the second-order statistics of a 2-D seismic velocity distribution with those of the corresponding processed and depth-migrated seismic reflection image. We then perform a sensitivity study in order to investigate what information regarding the stochastic model parameters describing crustal velocity heterogeneity might potentially be recovered from the statistics of a seismic reflection image using this model. Finally, we present a Monte Carlo inversion strategy to estimate these parameters and we show examples of its application at two different source frequencies and using two different sets of prior information. Our results indicate that the inverse problem is inherently non-unique and that many different combinations of the vertical and lateral correlation lengths describing the velocity heterogeneity can yield seismic images with the same 2-D autocorrelation structure. The ratio of all of these possible combinations of vertical and lateral correlation lengths, however, remains roughly constant which indicates that, without additional prior information, the aspect ratio is the only parameter describing the stochastic seismic velocity structure that can be reliably recovered.

P-wave velocities of samples from the Penninic of the western Alps along NFP20-west seismic-reflection profiles

Using the transit pulse method, we have determined compressional wave velocities of rocks from various geological units belonging to the Penninic zone along the NFP20-West profiles of the Swiss western Alps. The velocities have been measured at confining pressures up to 400 MPa, along three orthogonal axes defined by the macrostructure of the rocks. The samples analysed show a degree of metamorphism ranging from greenschist to eclogite facies. This collection includes schists, dolomites, gneisses and ophiolitic rocks. The mean velocities range from 5.9 km/s for a quartzitic calcschist to 7.9 km/s for an eclogitic metagabbro. The velocity anisotropy is as high as 20 %. The range of acoustic impedance is wide, from 15 to 27 10(6) kg/m2s. From these measurements, normal incident reflection coefficients for likely rock assemblages within and between geological units were estimated in order to interpret zone of the strong reflections recorded along the seismic profiles. Reflection coefficients as high as 0.17 could be determined.

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.

The use of shallow seismic reflection technique in near surface exploration of urban sites: An evaluation in the city of SãO Paulo, Brazil

In order to evaluate the use of shallow seismic technique to delineate geological and geotechnical features up to 40 meters depth in noisy urban areas covered with asphalt pavement, five survey lines were conducted in the metropolitan area of São Paulo City. The data were acquired using a 24-bit, 24-channel seismograph, 30 and 100 Hz geophones and a sledgehammer-plate system as seismic source. Seismic reflection data were recorded using a CMP (common mid point) acquisition method. The processing routine consisted of: prestack band-pass filtering (90-250 Hz); automatic gain control (AGC); muting (digital zeroin) of dead/noisy traces, ground roll, air-wave and refracted-wave; CMP sorting; velocity analyses; normal move-out corrections; residual static corrections; f-k filtering; CMP stacking. The near surface is geologically characterized by unconsolidated fill materials and Quaternary sediments with organic material overlying Tertiary sediments with the water table 2 to 5 m below the surface. The basement is composed of granite and gneiss. Reflections were observed from 40 milliseconds to 65 ms two-way traveltime and were related to the silt clay layer and fine sand layer contact of the Tertiary sediments and to the weathered basement. The CMP seismic-reflection technique has been shown to be useful for mapping the sedimentary layers and the bedrock of the São Paulo sedimentary basin for the purposes of shallow investigations related to engineering problems. In spite of the strong cultural noise observed in these urban areas and problems with planting geophones we verified that, with the proper equipment, field parameters and particularly great care in data collection and processing, we can overcome the adverse field conditions and to image reflections from layers as shallow as 20 meters.