Étude des sédiments quaternaires, de la molasse et sa tectonique, dans le Grand Lac (Léman) à partir de données sismiques 2D et 3D

RESUME L'Institut de Géophysique de l'Université de Lausanne a développé au cours de ces dernières années un système d'acquisition de sismique réflexion multitrace à haute résolution 2D et 3D. L'objectif de cette thèse était de poursuivre ce développement tout améliorant les connaissances de la géologie sous le lac Léman, en étudiant en particulier la configuration des grands accidents sous-lacustres dans la Molasse (Tertiaire) qui forme l'essentiel du substratum des formations quaternaires. En configuration 2D, notre système permet d'acquérir des profils sismiques avec une distance inter-CDP de 1,25 m. La couverture varie entre 6 et 18 selon le nombre de traces et la distance inter-tir. Le canon à air (15/15 eu. in.), offre une résolution verticale de 1,25 ni et une pénétration maximale de 300 m sous le fond de l'eau. Nous avons acquis au total plus de 400 km de sections 2D dans le Grand Lac et le Haut Lac entre octobre 2000 et juillet 2004. Une campagne de sismique 3D a fourni des données au large d'Evian sur une surface de 442,5 m sur 1450 m, soit 0,64 km2. La navigation ainsi que le positionnement des hydrophones et de la source ont été réalisés avec des GPS différentiels. Nous avons utilisé un traitement sismique conventionnel, sans appliquer d'AGC et en utilisant une migration post-stack. L'interprétation du substratum antéquaternaire est basée sur l'identification des sismofaciès, sur leurs relations avec les unités géologiques adjacentes au lac, ainsi que sur quelques données de forages. Nous obtenons ainsi une carte des unités géologiques dans le Grand Lac. Nous précisons la position du chevauchement subalpin entre la ville de Lausanne, sur la rive nord, et le bassin de Sciez, sur la rive sud. Dans la Molasse de Plateau, nous avons identifié les décrochements de Pontarlier et de St. Cergue ainsi que plusieurs failles non reconnues jusqu'ici. Nous avons cartographié les accidents qui affectent la Molasse subalpine ainsi que le plan de chevauchement du flysch sur la Molasse près de la rive sud du lac. Une nouvelle carte tectonique de la région lémanique a ainsi pu être dressée. L'analyse du substratum ne montre pas de failles suggérant une origine tectonique de la cuvette lémanique. Par contre, nous suggérons que la forme du creusement glaciaire, donc de la forme du lac Léman, a été influencée par la présence de failles dans le substratum antéquaternaire. L'analyse des sédiments quaternaires nous a permis de tracer des cartes des différentes interfaces ou unités qui les composent. La carte du toit du substratum antéquaternaire montre la présence de chenaux d'origine glaciaire dont la profondeur maximale atteint la cote -200 ni. Leur pente est dirigée vers le nord-est, à l'inverse du sens d'écoulement actuel des eaux. Nous expliquons cette observation par l'existence de circulations sous-glaciaires d'eau artésienne. Les sédiments glaciaires dont l'épaisseur maximale atteint 150 ni au centre du lac ont enregistré les différentes récurrences glaciaires. Dans la zone d'Evian, nous mettons en évidence la présence de lentilles de sédiments glaciolacustres perchées sur le flanc de la cuvette lémanique. Nous avons corrélé ces unités avec des données de forage et concluons qu'il s'agit du complexe inférieur de la pile sédimentaire d'Evian. Celui-ci, âgé de plus de 30 000 ans, serait un dépôt de Kame associé à un lac périglaciaire. La sismique réflexion 3D permet de préciser l'orientation de l'alimentation en matériel détritique de l'unité. La finesse des images obtenues nous permet également d'établir quels types d'érosion ont affecté certaines unités. Les sédiments lacustres, dont l'épaisseur maximale imagée atteint plus de 225 m et sans doute 400 ni sous le delta du Rhône, indiquent plusieurs mécanismes de dépôts. A la base, une mégaturbidite, épaisse d'une trentaine de mètres en moyenne, s'étend entre l'embouchure de la Dranse et le delta du Rhône. Au-dessus, la décantation des particules en suspension d'origine biologique et détritique fournit l'essentiel des sédiments. Dans la partie orientale du lac, les apports détritiques du Rhône forment un delta qui prograde vers l'ouest en s'imbriquant avec les sédiments déposés par décantation. La structure superficielle du delta a brutalement évolué, probablement à la suite de l'évènement catastrophique du Tauredunum (563 A.D.). Sa trace probable se marque par la présence d'une surface érosive que nous avons cartographiée. Le delta a ensuite changé de géométrie, avec notamment un déplacement des chenaux sous-lacustres. Sur l'ensemble de nos sections sismiques, nous n'observons aucune faille dans les sédiments quaternaires qui attesterait d'une tectonique postglaciaire du substratum. ABSTRACT During the last few years the institute of Geophysics of the University of Lausanne cleveloped a 2D and 3D high-resolution multichannel seismic reflection acquisition system. The objective of the present work was to carry on this development white improving our knowledge of the geology under Lake Geneva, in particular by studying the configuration of the large accidents affecting the Tertiary Molasse that makes up the basement of most Quaternary deposits. In its 2D configuration, our system makes it possible to acquire seismic profiles with a CDP interval of 1.25 m. The fold varies from 6 to 18 depending on the number of traces and the shooting interval. Our air gun (15/15 cu. in.) provides a vertical resolution of 1.25 m and a maximum penetration depth of approximately 300 m under water bottom. We acquired more than 400 km of 2D sections in the Grand Lac and the Haut Lac between October 2000 and July 2004. A 3D seismic survey off the city of Evian provided data on a surface of 442.5 m x 1450 m (0.64 km2). Ship's navigation as well as hydrophone- and source positioning were carried out with differential GPS. The seismic data were processed following a conventional sequence without .applying AGC and using post-stack migration. The interpretation of the pre-Quaternary substratum is based on sismofacies, on their relationships with terrestrial geological units and on some borehole data. We thus obtained a map of the geological units in the Grand Lac. We defined the location of the subalpine thrust from Lausanne, on the north shore, to the Sciez Basin, on the south shore. Within the Molasse de Plateau, we identified the already know Pontarlier and St Cergue transforms Fault as well as faults. We mapped faults that affect subalpine Molasse as well as the thrust fault plane between alpine flysch and Molasse near the lake's south shore. A new tectonic map of the Lake Geneva region could thus be drawn up. The substratum does not show faults indicating a tectonic origin for the Lake Geneva Basin. However, we suggest that the orientation of glacial erosion, and thus the shape of Lake Geneva, vas influenced by the presence of faults in the pre-Quaternary basement. The analysis of Quaternary sediments enabled us to draw up maps of various discontinuities or internal units. The top pre-Quaternary basement map shows channels of glacial origin, the deepest of them reaching an altitude of 200 m a.s.l. The channel's slopes are directed to the North-East, in opposite direction of the present water flow. We explain this observation by the presence of artesian subglacial water circulation. Glacial sediments, the maximum thickness of which reaches 150 m in the central part of the lake, record several glacial recurrences. In the Evian area, we found lenses of glacio-lacustrine sediments set high up on the flank of the Lake Geneva Bassin. We correlated these units with on-land borehole data and concluded that they represent the lower complex of the Evian sedimentary pile. The lower complex is aider than 30 000 years, and it could be a Kame deposit associated with a periglacial lake. Our 3D seismic reflexion survey enables us to specify the supply direction of detrital material in this unit. With detailed seismic images we established how some units were affected by different erosion types. The lacustrine sediments we imaged in Lake Geneva are thicker than 225 m and 400 m or more Linder the Rhone Delta. They indicate several depositional mechanisms. Their base is a major turbidite, thirty meters thick on average, that spreads between the Dranse mouth and the Rhone delta. Above this unit, settling of suspended biological and detrital particles provides most of the sediments. In the eastern part of the lake, detrital contribution from the Rhone builds a delta that progrades to the west and imbricates with the settling sediments. The shallow structure of the Rhone delta abruptly evolved, probably after the catastrophic Tauredunum event (563 A.D.). It probably coincides with an erosive surface that we mapped. As a result, the delta geometry changed, in particular associated with a displacement of water bottom channels. In all our seismic sections, we do not observe fault in the Quaternary sediments that would attest postglacial tectonic activity in the basement.

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.

Concentrations et flux d'azote dans les sédiments hypoxiques de l'Estuaire Maritime du St-Laurent.

Les sédiments sont des sites importants d’élimination d’azote (N) puisqu’ils possèdent des gradients d’oxydoréduction leur conférant les conditions idéales pour les réactions microbiennes de transformation de N. L’eutrophisation des régions côtières peut altérer ces gradients, par des changements dans la concentration d’oxygène (O2) de l’eau interstitielle, et modifier l’importance relative des processus transformant le N. Afin de mieux comprendre comment l’O2 pourrait influencer les transformations de N, nous avons mesuré les flux diffusifs de diazote (N2), nitrate (NO3-), oxygène et ammonium (NH4+) dans les sédiments de l’Estuaire Maritime du St-Laurent (EMSL), et nous avons estimé les taux de dénitrification. L’importance du couple nitrification-dénitrification en fonction d’un gradient de concentrations d’O2 dans la zone d’hypoxie de l’EMSL fut aussi évaluée. La concentration des gaz dissous fut mesurée en utilisant une nouvelle approche développée dans cette étude. Les flux diffusifs de N2, O2, NO3- et NH4+ variaient de 5.5 à 8.8, de -37.1 à -84.8, de -4.0 à -5.8 et de 0.6 à 0.8 μmol N m-2 h-1 respectivement. Les concentrations de N2 et NO3- dans l’eau porale et les flux de NO3- et de N2 des sédiments, suggèrent que la diffusion de NO3- provenant de l’eau à la surface des sédiments ne peut pas expliquer par elle-même la production de N2 observée. En utilisant une approche stoichiométrique, les taux de nitrification potentielle estimés comptent pour 0.01 à 52% du flux total de NO3 nécessaire pour aboutir aux flux de N2 observés et diminuent avec l’augmentation de l’hypoxie.

Interaction entre le mercure élémentaire et les sédiments lacustres

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Reconsidérer les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge de fond et la morphologie en rivière à lit de graviers : approches, échelles et analyses

L'objectif ultime en géomorphologie fluviale est d'expliquer les formes des cours d'eau et leur évolution temporelle et spatiale. La multiplication des études nous a mené à la réalisation que les systèmes géomorphologiques sont complexes. Les formes observées sont plus que la somme des processus individuels qui les régissent en raison d’interactions et de rétroactions non-linéaires à de multiples échelles spatiales et temporelles. Dans ce contexte, le but général de la thèse est de proposer et de tester de nouvelles avenues de recherche afin de mieux appréhender la complexité des dynamiques fluviales en utilisant des approches méthodologiques et analytiques mettant l’accent sur les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge fond et la morphologie du lit en rivière graveleuse. Cette orientation découle du constat que les paradigmes actuels en géomorphologie fluviale n’arrivent pas à expliquer adéquatement la variabilité naturelle du transport en charge de fond ainsi que des formes du lit qui en résultent. Cinq pistes de réflexion sont développées sous forme d’articles basés sur des études de cas : 1. L'intégration des échelles de variation de l'écoulement permet d’insérer la notion de structures turbulentes dans des pulsations de plus grande échelle et d'améliorer la compréhension de la variabilité du transport de sédiments. 2. La quantification des taux de changement de l’écoulement (accélération /décélération) au cours d’une crue permet d’expliquer la variabilité des flux de transport en charge fond autant que la magnitude de l’écoulement. 3. L’utilisation de techniques de mesures complémentaires révèle une nouvelle dynamique du lit des rivières graveleuses, la dilatation et la contraction du lit suite à une crue. 4. La remise en cause du fait généralement accepté que le transport en charge de fond est corrélé positivement à l'intensité des modifications morphologiques en raison d’un problème associé aux échelles différentes des processus en cause. 5. L’approche systémique des dynamiques fluviales par l’utilisation d’analyses multivariées permet d’appréhender la complexité des dynamiques de rétroactions linéaires et non-linéaires dans l’évolution d’un chenal et d’illustrer l’importance de l’historique récent des changements géomorphologiques en réponse aux crues. Cette thèse se veut une avancée conceptuelle issue d'une profonde réflexion sur les approches classiques que l'on utilise en géomorphologie fluviale depuis plusieurs décennies. Elle est basée sur un jeu de données unique récolté lors du suivi intensif de 21 évènements de crue dans un petit cours d’eau à lit de graviers, le ruisseau Béard (Québec). Le protocole expérimental axé sur la simultanéité des mesures de l’écoulement, de la morphologie du lit et du transport de sédiments en charge de fond a permis de centrer la recherche directement sur les interactions entre les processus plutôt que sur les processus individuels, une approche rarement utilisée en géomorphologie fluviale. Chacun des chapitres illustre un nouveau concept ou une nouvelle approche permettant de résoudre certaines des impasses rencontrées actuellement en géomorphologie fluviale. Ces travaux ont des implications importantes pour la compréhension de la dynamique des lits de rivières et des habitats fluviaux et servent de point de départ pour de nouveaux développements.

Étude des mouvements de sédiments le long de la Grande Côte Nord du Sénégal, entre Saint Louis et Potou : contribution à la connaissance de l'enviornnement pour améliorer la production agricole

Project de Coopération Internationale pour le Développement complété par l'Université de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC) et l'Université Gaston Berger, financié par la Direction Générale pour les relations avec l'Afrique du Gouvernement des Canaries et géré par le Centre Universitaire de Coopération Internationale pour le Développement (CUCID) de l'ULPGC et l'FULP, Setembre 2010-Février 2012.

Geotechnical properties of shelf sdiments from the Prydz Bay

This paper presents a geotechnical characterization of the glacigenic sediments in Prydz Bay, East Antarctica, based on the shipboard physical properties data obtained during Leg 119, combined with results of land-based analyses of 24 whole-round core samples. Main emphasis is placed on the land-based studies, which included oedometer consolidation tests, triaxial and simple shear tests for undrained shear strength, permeability tests in oedometer and triaxial cell, Atterberg limits, and grain-size analyses. The bulk of the tested sediments comprise overconsolidated diamictites of a relatively uniform lithology. The overconsolidation results from a combination of glacial loading and sediment overburden subsequently removed by extensive glacial erosion of the shelf. This leads to downhole profiles of physical properties that have been observed not to change as a function of the thickness of present overburden. A number of fluctuations in the parameters shows a relatively systematic trend and most likely results from changes in the proximity to the ice sheet grounding line in response to variations in the glacial regime. Very low permeabilities mainly result from high preconsolidation stresses (Pc'). Pc' values up to 10,000 kPa were estimated from the oedometer tests, and empirical estimates based on undrained shear strengths (up to 2500 kPa) indicate that the oedometer results are conservative. The diamictites generally classify as inactive, of low to medium plasticity, and they consolidate with little deformation, even when subjected to great stresses. This is the first report of geotechnical data from deep boreholes on the Antarctic continental shelf, but material of similar character can also be expected in other areas around the Antarctic.

Observations sur la consolidation des sèdiments calcaires dans les régions tropicales; consolidation récente de spicules d'Alcyonaires

This paper deals with the consolidation process of calcareous sediments in the tropics

La consolidation des sédiments calcaires dans le régions tropicales

This paper deals with the consolidation process of calcareous sediments in tropical regions.