# Mise en évidence de structures glaciaires Quaternaire en mer de Wadden via l'interprétation de donnée sismique 3D UHRS

## Interpretation of 3D UHRS to emphasize Quaternary glacial structures in the Wadden Sea

Benjamin Durot¹,*

¹Eliis, 3 Rue Jean Monnet, 34830 Clapiers, France

**Résumé.** Afin d'accompagner au mieux la transition énergétique, de réduire les temps d'interprétation et de minimiser les risques liés aux objets géologiques, il est nécessaire que les technologies déjà éprouvées et approuvées soient également mises à l'épreuve dans les domaines émergeant de l'énergie. L'implémentation de ferme éolienne en mer étant en plein essor, beaucoup de données sismiques 3D Ultra-Haute-Résolution (3D UHRS) sont acquises et certaines sont mises à disposition. Le pas d'échantillonnage étant beaucoup plus fin et le contenu fréquentiel étant beaucoup plus élevé que les données sismiques 3D classiquement interprétées dans le domaine pétrolier, cette donnée 3D UHRS semble un bon candidat pour éprouver les solutions d'interprétation sismique automatisées. De la donnée 3D UHRS est disponible en mer de Wadden, au large des Pays-Bas et a été interprétée par un logiciel d'interprétation sismique automatisé appelé PaleoScan™. Des « tunnel valleys », des « kettle lakes » et des structures de déformation tectonique glaciaire « glaciotectonics » ont été identifiées.

**Abstract.** To support the energy transition, to reduce interpretation time cycle and minimize the risks linked to geological hazards, it is necessary that technologies already proven and approved are also put to the test in emerging areas of energy. As the implementation of offshore wind farms is booming, a lot of 3D Ultra-High-Resolution (3D UHRS) seismic data is being acquired and some is being made available. The sampling rate being much finer and the frequency content being much higher than the classical 3D seismic data interpreted in the petroleum industry, this 3D UHRS data seems a good candidate for testing automated seismic interpretation solutions. 3D UHRS data is available in the Wadden Sea, offshore the Netherlands and has been interpreted by automated seismic interpretation software called PaleoScan™. Tunnel valleys, kettle lakes and glaciotectonic processes have been identified.

<footnote>* Corresponding author: benjamin.durot@eliis.fr</footnote>
# 1 Les technologies utilisées dans le domaine pétrolier sont-elles adaptées aux projets éoliens en mer ?

La transition énergétique ainsi que le développement durable sont en marche depuis plusieurs décennies, et les technologies et solutions associées à la transition énergétique sont crucales pour atteindre les objectifs climatiques. Les avancés techniques et technologiques, associée à une concentration accrue sur la décarbonation des systèmes énergétiques, sont à l'origine de cette transition mondiale. Parmi les clés de cette transition figurent le captage et le stockage du carbone, l'hydrogène, l'éolien terrestre, le solaire photovoltaïque, l'éolien en mer et bien d'autres. Les sociétés pétrolières et gazières investissent énormément de ressources au sein de cette transition. De plus, les entreprises des « nouvelles technologies » doivent s'adapter rapidement pour accompagner les acteurs majeurs à apporter leur expertise face à ces défis à venir.

La sismique Ultra-Haute-Résolution (UHRS) joue un rôle clé car elle fournit une grande quantité de détails sur le sous-sol peu profond. Ces données sont très précieuses car elles permettent de détecter des objets beaucoup plus petits et plus fins pour garantir qu'aucun géorisques ne passe inaperçu. Mais les technologies actuelles sont-elles capables de gérer ce type de données ? La résolution de la donnée et le contenu fréquentiel sont bien supérieurs à ceux auxquels les sociétés pétrolières et gazières sont habituées. Les données sont acquises avec des pas d'échantillonnage de 0.1 ms en temps et de 1 m en distance. Des blocs sismiques (cellules de 0.5 m de côté et de 0.1 ms en temps) avec un contenu fréquentiel allant de 0 Hz à 5 000 Hz peuvent être un défi pour n'importe quel logiciel d'interprétation sismique.

Dans cette étude, l'auteur utilise les données 3D UHRS appelées Ten Noorden van de Waddeneilanden Wind Farm Zone (TNWWFZ), situées dans le secteur néerlandais du sud de la mer du Nord. Cet ensemble de données est composé de 153 km² d'URHS 2D et de 6 km² d'URHS 3D (Figure 1). L'emplacement de TNW est adjacent à la zone du parc éolien Gemini, en activité depuis 2016.

<figure><img src="image_1.png" /><figcaption>**Fig.1.** Carte de la localisation du site d'étude a) modifié depuis Patruno et al.2022 et b) modifié depuis le rapport rédigé par Arcadis et Geo-Engineering, 2019.</figcaption></figure>
## 2 Contexte géologique Quaternaire

Contrairement à l'industrie pétrolière et gazière, seule la partie peu profonde du sous-sol revêt une grande importance lorsqu'il s'agit d'installer un parc éolien en mer. En effet, les géorisques peu profonds peuvent endommager les fondations des éoliennes et les câbles sous-marins. En mer du Nord, cette section peu profonde est principalement constituée de sédiments quaternaires. L'époque du Pléistocène a été marquée par trois glaciations majeures, connues sous les noms d'Elstérienne, Saalienne et Weichsélienne. La glaciation Elstérienne s'est produite entre 500 000 et 300 000 ans avant notre ère. Les masses de glace ont atteint le sud du Royaume-Uni et le nord de l'Allemagne (Figure 2 – ligne rouge) au cours de cette glaciation (Batchelor et al., 2019). La glaciation Saalienne s'est produite entre -300 000 et -130 000 ans. L'étendue de la calotte glaciaire est représentée par la ligne jaune sur la figure 2. L'extension de la calotte glaciaire n'est pas aussi étendue que l'épisode glaciaire précédent autour de la région du Royaume-Uni, mais les masses de glace ont progressées plus au sud, dans le nord-ouest de l'Europe (Batchelor et al., 2019). Enfin, l'épisode glaciaire Weichsélien a eu lieu entre -115 000 et -11 700 ans. La toute dernière avancée glaciaire du Weichsélien est également connue sous le nom de Dernier Maximum Glaciaire. Son étendue est visible en vert sur la figure 2 et la calotte glaciaire n'était pas aussi étendue que lors des épisodes précédents.

L'époque interglaciaire de l'Holocène a été marquée par une transgression principale déclenchée par l'augmentation de la température due aux changements de l'excentricité et de l'inclinaison orbitale de la Terre. Des sédiments marins peu profonds et marins ouverts ont été déposés dans la zone d'intérêt.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>**Fig.2.** Carte caractérisant les différentes extensions des calottes glaciaires durant l'époque Pléistocène, modifiée depuis Kirkham et al., 2022.</figcaption></figure>
## 3 Modèle d'âge géologique relatif

Même si la zone d'investigation couverte par les données 3D UHRS a une étendue limitée à seulement 6 km², sa très haute résolution (résolution verticale de 0.1 ms) la rend volumineuse en termes de taille de données : 3000 IL, 8300 XL et 2000 TS. En raison de la taille des données et du calendrier serré pour mener l'étude, un processus de travail d'interprétation sismique semi-automatisé a été utilisé pour générer un modèle d'âge géologique relatif (RGT) (Pauget et al, 2009). Ce modèle RGT permet de générer un nombre important de surfaces chronostratigraphiques appelé « Horizon Stack ». Associés à l'UHRS, les attributs peuvent être affichés sur chaque surface provenant de l'Horizon Stack, offrant ainsi aux géo-scientifiques la possibilité de scanner les données avec un très haut degré de détail. L'interprétation et l'analyse s'en trouvent donc grandement améliorées (Figure 3).

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>**Fig.3.** Déroulement du processus d'interprétation sismique semi-automatisé (Pauget et al., 2009).</figcaption></figure>

## 4 Analyse géomorphologique et géologique du dépôts Quaternaire

Différents attributs tels que la profondeur (définie en ms TWT), la moyenne quadratique (RMS) calculée depuis une fenêtre verticale de 0.5 ms centrée sur la surface et une décomposition spectrale (transformée de Fourier calculée sur une fenêtre de 0.7s) basée sur les fréquences remarquables de 199 Hz, 442 Hz et 729 Hz ont été calculés. Chacun de ces attributs est cartographié sur chaque surface de l'Horizon Stack.

Sur la surface n°69 (Figure 4), un système chenalisant est clairement visible sur la partie Ouest de la zone d'investigation. Selon la section transversale, la base du motif sismique semble être un empilement de réflexions de haute amplitude, à la fois positives et négatives. La moyenne quadratique affichée montre les maxima pour cette base d'incision. Cependant, la morphologie du chenal n'est pas commune par rapport aux systèmes chenalisant habituellement visible dans le domaine pétrolier. À cette époque, un épisode glaciaire était en place, probablement lié à la période glaciaire Saalienne ( étude documentaire Arcadis, 2019) ; Au cours de cette période glaciaire, le niveau eustatique de la mer a subi une baisse d'environ 130 m. L'eau de fonte des glaciers se déversait dans des environnements sous-glaciaires, intra-glaciaires, supra-glaciaires et pro-glaciaires. L'écoulement des eaux de fonte sous-glaciaire a entraîné la formation de chenaux entre le glacier et les sédiments sous-
jacents, appelés « tunnel valleys » (Huuse et Lykke-Andersen, 2000 ; Lutz, 2009 ; Kirkham et al., 2022). Les sédiments et rochers sont transportés au sein des tunnel valleys pour former

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

en contre-bas des cônes d'épandage (Kirkham et al., 2022).

**Fig.4.** Surface n°69 affichant différents attributs tels que la profondeur (en haut à gauche), la moyenne quadratique (en bas à gauche) et la décomposition spectrale (en bas à droite) affichant les « tunnel valleys ».

Une autre déformation est clairement observable sur la surface n°34 (Figure 5). Le faciès sismique est constitué de réflexions discontinues de fortes amplitudes avec un pendage apparent de ~50° à ~70°. Les réflexions sismiques s'empilent les unes sur les autres, résultant d'une contrainte de compression associée à des sédiments rigides. En raison du poids de la glace sus-jacente, les sédiments ont été comprimés, entraînant une déformation tectonique glaciaire (« glaciotectonics »).

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

**Fig.5.** Surface n°34 affichant une déformation rigide des sédiments, connu sous le nom de « glaciotectonic ».

Enfin, sur la surface n°17 (Figure 6), un troisième type d'anomalie peut être observé. Un ensemble de réflexion sismique continue repose horizontalement au-dessus d'une forte amplitude positive et une synforme est identifiable. Cette synforme est mise en évidence par les hautes fréquences (magnitudes de couleur bleue, Figure 6). Durant les périodes interglaciaires, la température augmente, entraînant la fonte de la calotte glaciaire. Ce processus déclenche une élévation du niveau de la mer et le retrait du glacier. Lors de son retrait, d'énormes blocs de glace se détachent et restent sur place. Les sédiments se déposent
autour et au-dessus du bloc de glace qui fond lentement. Au moment où la glace fond complètement, la dépression se remplit d'eau créant des « kettle lakes ».

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>**Fig.6.** Surface n°17 affichant différents attributs tels que la profondeur (en haut à gauche), la moyenne quadratique (en bas à gauche) et la décomposition spectrale (en bas à droite) affichant un « kettle lake ».</figcaption></figure>

Des données sismiques 3D à haute résolution ont déjà été utilisées pour caractériser avec succès les chenaux associés à la circulation de l'eau de fonte des glaciers (Kirkham et al., 2021 ; 2022 ; Bellwald et al., 2021) et la déformation tectonique glaciaire (Bellwald et al., 2023). De telles études sont crucales pour reconstruire la cinématique des processus glaciaires et leur contrôle sur les dépôts associés. Le flux de travail appliqué et les données UHRS 3D utilisées dans cette étude révèlent des marqueurs géomorphologiques de la glaciation Saalienne à l'échelle décimétrique, contrôlés par l'érosion des eaux de fonte glaciaire, la déformation tectonique glaciaire et les processus interglaciaires.

## 5 Conclusion

Grâce à différent aspects tel que i) l'espace disponible en mer comparé à l'espace disponible en terre, ii) à la distance entre la population locale et la zone d'implantation des infrastructures qui atténue les nuisance sonores et visuelles, iii) la quantité plus importante d'énergie produite par les installations en mer par rapport aux installations à terre (une production accrue de 60% en générale), les parcs éoliens en mer jouent un rôle majeur dans la transition énergétique. La détection des risques géologiques dans la mise en œuvre d'un complexe de parcs éoliens en mer dans un court laps de temps joue un rôle clé dans son succès. Associés à la donnée sismique 3D UHRS, des algorithmes, des processus de travail et des outils appropriés peuvent être utilisés pour réaliser une imagerie très détaillée du sous-sol en un temps record. Cette méthode permet aux géoscientifiques de mieux évaluer les risques présents en subsurface, de mieux comprendre l'histoire de la région et de mieux caractériser le sous-sol. Les « tunnel valleys », le « Kettle lake » et la déformation tectonique glaciaire sont clairement observés et identifiés. Il est également connu dans la littérature que cette région est sujette aux rochers (moraines) en raison des épisodes glaciaires, et cela est bien documenté (rapports Arcadis et Geo-Engineering, 2019), mais aucun d'entre eux n'a été clairement identifié dans la zone d'intérêt.
Remerciement

L'auteur souhaite remercier The Netherlands Enterprise Agency (RVO) pour avoir fourni les données 3D UHRS ainsi que les rapports associés rédigés par Arcadis Nederland BV & Geo-Engineering, Benjamin Bellwald (de NGI) pour son temps et son expertise et enfin Eliis pour avoir fourni le logiciel d'interprétation sismique semi-automatisé.

References

1. S. Archer, H. Kombrink, S. Patruno, D. Chiarella, C. Jackson, J. Howell, Cross-border petroleum geology in the North Sea: an introduction, Geological Society London Special Publications 494(1): SP494-2021-182, doi:10.1144/SP494-2021-182, (2022)

2. C.L. Batchelor, M. Margold, M. Krapp, D.K. Murton, A.S. Dalton, P.L. Gibbard, C.R. Stokes, J.B. Murton, A. Manica, The configuration of Northern Hemisphere ice sheets through the Quaternary. Nature communications, **10**(1), 3713, (2019)

3. B. Bellwald, H. Stokke, M. Winsborrow, S. Planke, J. Sættem, N. Lebedeva-Ivanova, A. Hafeez, B. Kurjanski, R. Myklebust, S. Polteau, Structural and fluid-migration control on hill-hole pair formation: Evidence from high-resolution 3D seismic data from the SW Barents Sea. Geomorphology, 420, 108502, (2023)

4. B. Bellwald, S. Planke, S. Polteau, N. Lebedeva-Ivanova, J.I. Faleide, S.M. Morris, S. Morse, S. Castelltort, Characterization of a glacial paleo-outburst flood using high-resolution 3-D seismic data: Bjørnelva River Valley, SW Barents Sea. Journal of Glaciology, **67**(263), 404-420, (2021)

5. M. Huuse, H. Lykke-Andersen, Overdeepened Quaternary valleys in the eastern Danish North Sea: morphology and origin, *Quaternary Science Reviews*, Volume 19, Issue 12, July 2000, Pages 1233-1253, https://doi.org/10.1016/S0277-3791(99)00103-1, (2000)

6. J. Kirkham, K. Hogan, R. Larter, N. Arnold, J. Ely, C. Clark, E. Self, K. Games, M. Huuse, M. Stevart, D. Ottesen, J. Dowdeswell, Tunnel valley formation beneath deglaciating mid-latitude ice sheets: Observations and modelling, Quaternary Science Reviews, https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2022.107680, (2022)

7. J. Kirkham, K. Hogan, R. Larter, E. Self, K. Games, M. Huuse, M.A. Stewart, D. Ottesen, N.S. Arnold, J.A. Dowdeswell, Tunnel valley infill and genesis revealed by high-resolution 3-D seismic data. Geology, **49**(12), 1516-1520, (2021)

8. L. Kristensen, D. Benn, A. Hormes, D. Ottensen, Mud aprons in front of Svalbard surge moraines: Evidence of subglacial deforming layers or proglacial glaciotectonics?, Research Gate, *Geomorphology* 111(3):206-221, DOI:10.1016/j geomorph.2009.04.022, (2009)

9. R. Lutz, S. Kalka, C. Gaedicke, L. Reinhardt, J. Winsemann, Pleistocene tunnel valleys in the German North Sea: Spatial distribution and morphology, ResearchGate, *Zeitschrift der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften* 160(3):225-235, DOI:10.1127/1860-1804/2009/0160-0225, (2009)

10. F. Pauget, S. Lacaze, T. Valding, A global approach to seismic interpretation based on cost function and minimization: 79th Annual International Meeting, SEG, Expanded Abstracts, 2592–2596, doi:10.1190/1.3255384, (2009)