Coordinateurs du projet
Contexte
Le développement d’éoliennes fixes en faible profondeur (zone offshore proche) soulève la question de la qualification des paramètres mécaniques du sous-sol en milieu marin, de leur variabilité spatiale et leur évolution temporelle. La vitesse des ondes sismiques S est un des paramètres d’intérêt pour le dimensionnement géotechnique des fondations. La résistivité électrique est une propriété discriminante pour distinguer les niveaux lithologiques qui peut être complémentaire pour l’interprétation géologique et géotechnique. Cependant, dans les zones des 20 miles marins de la côte atlantique en Région des Pays de la Loire, les milieux superficiels présentent une complexité structurale importante et l’hypothèse de milieu stratifié plan ne peut plus être suivie. Les méthodes sismiques reposant sur l’analyse de la dispersion des ondes de surface et les pratiques usuelles de l’imagerie électrique en milieu marin faiblement variable atteignent leurs limites de validité. Face à ces verrous le projet PROSE vise à définir la faisabilité de techniques d’imagerie et de surveillance de la géologie des sédiments sous-marins de faibles profondeurs à partir de méthodes géophysiques, sismiques et électriques, adaptées à la reconnaissance de milieux présentant de fortes variabilités spatiales. Par ailleurs, la mise en place des fondations d’éoliennes de type mono-pieu peut entraîner des modifications locales du sous-sol. Ces évolutions locales potentielles du sous-sol sont a priori mal connues et difficiles à évaluer. Elles nécessitent ainsi le développement de méthodologies de surveillance à demeure.
Ruptures scientifiques et innovation
« Vers une meilleure connaissance du sous-sol en proche offshore et de sa variabilité spatiale » : analyse des potentiels d’acquisition et d’exploitation de données 1) sismiques fond de mer pour la quantification en ondes S sur les 50 premiers mètres en vue de dépasser les méthodologies d’inversion de la vitesse de phase des ondes de surface et 2) électriques en tenant compte de l’eau de mer qui permet un couplage efficace des électrodes avec le milieu mais contribue à disperser une part significative du courant électrique injecté et à diminuer les contrastes de résistivité électrique entre les sédiments saturés.
« Vers le suivi du sous-sol en proche offshore au voisinage immédiat de pieux importants » : analyse de la faisabilité de la surveillance du sous-sol en proche offshore par des dispositifs de capteurs sismiques à demeure et électriques en présence d’éolienne fixe ou lors de sa mise en place.
Impact technique et économique attendu
- Faisabilité de méthodologies géophysiques en proche-offshore pour la caractérisation des paramètres mécaniques et geo-électriques du sous-sol ainsi que de leurs variations spatiales et temporelles
- Réduction des coût par une méthodologie d’imagerie non destructive en limitant le nombre de carottage
Démonstrateur
Tests numériques à partir de codes développés au LPG pour la sismique et de codes développés à l’Université Gustave Eiffel pour l’électrique et basés sur l’outil COMSOL.
- Tests expérimentaux en laboratoire à partir de bancs de mesures à échelle réduite (banc MUSC et cuve acoustique) développés au laboratoire GERS/GeoEND/Université Gustave Eiffel,
- Tests de mesures au niveau du site SEM-REV piloté par l’École Centrale de Nantes
Résultats
Au sein des différents volets du projet PROSE, les actions menées à ce jour sont résumées ci-dessous :
Imagerie par sismique active :
Cette problématique a été abordée sur le plan numérique d’une part et expérimental à échelle réduite d’autre part. Les méthodes numériques développées s’appuient de façon innovante sur l’adaptation de méthodes de reconstruction par exploration aléatoire des paramètres du milieu (Essaim de particules). L’outil d’imagerie résultant montre la capacité d’utiliser les ondes de surface pour retrouver les variations spatiales de vitesses des ondes S pour des contextes géologiques du type moyen offshore. De cette façon, ces techniques permettent de dépasser les hypothèses des méthodes classiquement utilisées en mer du nord et qui font l’hypothèse de milieu stratifié plan (1D). La méthode proposée repose sur des mesures enregistrées à la surface du sous-sol marin. Afin de tester expérimentalement cette nouvelle approche, une cuve expérimentale a été développée et testée à l’aide de capteurs immersibles. Cette étude à échelle réduite a montré la capacité à réaliser des données expérimentales de mesures de surface (source et capteurs fond de mer) à l’échelle 1/100 en reproduisant la génération des ondes de surface attendues numériquement.
Afin de proposer un dispositif de mesures utilisable sur site réel, le projet PROSE vise le développement d’une source sismique positionable en fond de mer et suffisamment légère de mise en œuvre. Des premiers tests d’utilisation de sources du type sparker montrent la capacité à générer des ondes de surface dans la gamme de fréquences recherchée. Des tests complémentaires en eau plus profonde sont nécessaires à la faisabilité complète.
Imagerie géo-électrique
La tomographie de résistivité du sous-sol permet d’obtenir une image montrant les zones qui conduisent plus ou moins bien le courant électrique. Une telle image contribue ensuite à identifier et dessiner les contours des formations géologiques dans ce sous-sol. Cette méthode est également possible en milieu sous-marin. Pour réaliser les mesures, un bateau traine une ligne d’électrodes au fond de l’eau. Mais le fait que l’eau de mer soit très conductrice limite beaucoup la méthode. Il s’agit ici de chercher les capacités de cette approche de tomographie pour aider à identifier les 10 premiers mètres de sous-sol sous 30 à 40 m d’eau de mer. Ce contexte géologique a été simplifié puis simulé, non seulement par calcul sur ordinateur, mais aussi dans un modèle réduit à l’échelle 1/100, avec du sable et de l’eau dans une cuve plastique, et une ligne d’électrodes miniaturisée au fond de l’eau. Ces simulations ont permis de préciser sous quelles conditions la tomographie de résistivité reste pertinente et l’information qu’elle apporte.
Surveillance sismique :
Des expérimentations ont été menées afin d’établir la faisabilité d’une surveillance des propriétés mécaniques du sous-sol autour d’une éolienne, par application de techniques d’écoute du bruit de fond sismique ; d’une part, pendant la phase de mise en place des fondations par battage de pieu (site expérimental terrestre analogue, Gouvieux, EDF-EN), et d’autre part, en période de fonctionnement (parc éolien on-shore de Bouin, EDF-EN). Les mesures récoltées montrent que, dans les deux cas, le bruit sismique généré par le pieu (pieu de battage ou pieu d’éolienne) possède un contenu fréquentiel permettant, sans l’application d’une source sismique extérieure, l’investigation et le suivi des 10-20 premiers mètres du sous-sol.