Imagerie sismique quantitative de la marge convergente d'Equateur-Colombie : Application des mèthodes tomographiques aux données de sismique réflexion multitrace et réfraction-réflexion grand-angle des campagnes SISTEUR et SALIERI

This work's main aim is the estimation of the physical properties and the analysis of the geodynamic process of the Ecuador-Colombian subduction zone. I adapted and developped seismic imaging tools based on diffraction tomography. This tools are applied to multichannel seismic reflection (MCS) data and reflection/refraction wide-angle (WA) data acquired during SISTEUR and SALIERI cruises. Quantitative seismic imaging is presented for three zones : shallow zone (~ 0-3 km), intermediate zone (~ 3-10 km) and deep zone (~ 10-30 km). In the shallow zone the profile SIS-40 on the Colombian margin was processed and physical properties of the Bottom Simulating Reflector (BSR) were estimated. Along the BSR regions with relative increase of the velocity (1470-1650 m/s), were obtained and associated with the presence of hydrates above the BSR and regions with relative decrease of the velocity (~1200 m/s), associated with gaz below the BSR. In the intermediate zone, I analysed the subduction channel (profil SIS-72). This structure is between the decollement (top of the subduction channel) ant the top of the oceanic crust (bottom). In some area the decollement exhibits relative velocity decrease possibly due to the presence of fluids inside and below the decollement. I design an integrated approach to obtain the small scale velocities around the decollement area. The integrated approach is based on 2 steps: (1) asymptotic waveform inversion with iterative correction of the velocity macro-model and to obtain a 2-D quantitative depth model for velocity; (2) an automated post-processing procedure to eliminate the source signature from the tomographic images and to estimate the absolute values of the velocity along the decollement. The post-processing is formulated as an automatic non-linear inverse problem where the data space is composed of several one-dimensional logs extracted for different offset from the depth migrated image. The model space is composed of a family of realistic impulse layered models in depth, parameterized by a limited number of parameters (random velocity amplitude and a random thickness for each layer). These models mimick the logs of the physical model searched. To build the predicted dataset, the tested logs are converted from space to time using the velocity of the background medium and are convolved with the source wavelet. To estimate the source wavelet we use an average of the direct wave. The predicted dataset are computed by convolution of the depth-to-time converted impulse models with the source wavelet and compared with the tomographic models. The inverse problem is solved by a random exploration of the model space for each offset, using the very fast simulating anealing algorithm (VFSA). A small scale velocity model is obtained. Positve velocity perturbations appear at the top of the oceanic crust. The decollement is characterized by regions with positve velocity perturbations probably associated with fluids diffusion up to the decollement and regions with negative velocity perturbations probably related to the channeling of the fluids. Deep structures are imaged by a combined approach of MCS and WA data to improve the spatial resolution of the Moho and of interplate contact and to establish a possible relation with the seismogenic zone. A well constrained velocity model between 0 and 25 km is obtained and deep reflectors such as the Moho and the interplate contact are imaged as well the existence of the splay fault is validated (the splay fault was not clearly identified on the time stack sectionMon travail de thèse se propose d'étudier la structure, les propriétés physiques et les processus géodynamiques de la zone de subduction d'Equateur-Colombie grâce à l'adaptation et le développement d'outils d'imagerie sismique (inversion de formes d'ondes 'alias' tomographie en diffraction) et à leur application aux données de sismique marine multitrace (MCS) et grand-angle OBS (WA) acquises en Equateur-Colombie pendant les campagnes SISTEUR et SALIERI. Ces outils m'ont permis de réaliser une imagerie fine et quantitative à trois niveaux : l'imagerie superficielle (~ 0-3 km), l'imagerie à profondeur intermédiaire (~ 3-10 km) et l'imagerie profonde (~ 10-30 km). Dans le domaine superficiel, j'ai effectué une cartographie fine et quantitative des propriétés physiques des sédiments au voisinage du BSR (Bottom Simulating Reflector), interpreté comme la base de stabilité des hydrates de gaz. Sur le profil SIS-40 situé sur la marge sud de la Colombie, j'ai pu identifier la présence de failles qui perturbent localement le BSR. Les résultats présentés sous la forme d' une série de logs adjacents de l'image migrée en profondeur, montrent que certaines régions du BSR sont caractérisées par une augmentation de la vitesse (1470-1650 m/s), indiquant la présence d'une faible quantité d'hydrates de gaz au dessus du BSR; d'autres zones situées immédiatement sous le BSR sont caractérisées par une diminution de la vitesse (~1200 m/s), liée à la présence de gaz libres piégés sous la couche d'hydrate de gaz. A des profondeurs moyennes j'ai étudié la structure du chenal de subduction (profil SIS-72). Le chenal constitue la limite mécanique entre la plaque chevauchante et la plaque plongeante. Il est délimité à son toit par un fort réflecteur interprété comme le décollement interplaque et à sa base par le toit très réflectif de la croûte océanique en subduction. L'imagerie fine et quantitative des propriétés physiques du décollement interplaque permet de mieux comprendre le rôle de la circulation des fluides et des variations lithologiques et physiques, sur le couplage mécanique inter-plaque. En raison de la sensibilité de la méthode de tomographie en diffraction au macro-modèle de vitesse, un code de correction de ce modèle a été implémenté, afin d'obtenir des images tomographiques fiables (i.e. géométrie et amplitudes correctes). Du fait de la bande passante limitée de la source et de la longueur du dispositif d'acquisition limitée à 4.5 km, les images tomographiques ont une résolution spatiale limitée : l'image tomographique présente un déficit des petits et grands nombre d'onde (fréquences spatiales) limitant ainsi l' interprétation géologique des paramètres physiques cartographiés. Un traitement spécifique basé sur la modélisation des traces sismiques a été implémenté. L'image tomographique, traitée comme une série de traces verticales, constitue la donnée observée. L'espace des modèles est constitué par un ensemble de modèles impulsionnels et unidimensionnels de Terre construits aléatoirement. Ces modèles sont dégradés par convolution avec une estimation de l'ondelette source afin de fournir une représentation synthétique de l'image tomographique « observée ». La minimisation de la fonction coût entre les traces migrées et les traces synthétiques est effectuée dans le cadre d'une inversion globale par recuit simulé (VFSA= « Very Fast Simulated Annealing »). Le modèle moyen issu de cette procédure fournit un modèle 2D fin de vitesse, fonction de la profondeur et comparable à la limite de la résolution théorique de la source. A l'issue de ce traitement, des perturbations de vitesse positives sont mises en évidence au toit de la croûte, et d'autres négatives accompagnent certains segments du niveau du décollement. Ces dernières sont probablement associées à la présence de fluides. Le domaine plus profond a été étudié à partir des données MCS et WA dans le double but (1) d'améliorer la résolution spatiale des images sismiques du Moho et du contact interplaque en relation avec la zone sismogène, et (2) de détecter la présence d'anomalies crustales de vitesse et d'analyser leur relation avec les zones d'aspérité sismologiques. L'utilisation conjointe des données de sismique MCS et WA a été mise en oeuvre pour prolonger vers le bas les images de sismique verticale et tenter ainsi d'établir une relation entre les processus profonds et les manifestations en surface. L'application de la chaîne de traitement au profil SIS-44 a permis d'obtenir un modèle de vitesse bien contraint jusqu'à 25 km de profondeur. Ce modèle met en évidence des réflecteurs profonds (Moho et contact interplaque ) et des réflecteurs plus superficiels (splay fault), dont l'interprétation était initialement incertaine sur les images migrées en temps