Technischer Bericht NTB 00-03

3D-Seismik: Räumliche Erkundung der mesozoischen Sedimentschichten im Zürcher Weinland

La Nagra étudie les Argiles à Opalinus dans le nord-est de la Suisse comme roche d’accueil potentielle pour un dépôt géologique profond de déchets de haute activité et de moyenne activité à vie longue. En 1991/92, une série de profils de sismique réflexion 2-D ont été effectués dans le nord-est de la Suisse pour la reconnaissance régionale des roches sédimentaires mésozoïques. Sur cette base, une région d’environ 50 km2 à stratification quasiment non perturbée a été délimitée dans la partie septentrionale du canton de Zurich. La campagne de sismique réflexion 3D réalisée en 1997 dans cette région a permis d’examiner en détail les conditions structurales et lithostratigraphiques des Argiles à Opalinus dans le domaine de profondeur souhaité de 400 à 900 m sous terre. Les résultats de cette campagne, conjointement à ceux du sondage de reconnaissance de Benken réalisé dans la même région en 1998/99, fournissent une base solide pour l’évaluation des conditions géologiques dans la région étudiée. La méthode d’investigation appliquée permet de reconnaître à partir de la surface et de manière continue la disposition spatiale des couches sédimentaires. Les éléments structuraux et les variations latérales des caractéristiques de la roche peuvent être examinés à grande échelle. Les résultats contribuent à la connaissance générale de l’histoire géologique et permettent l’élaboration d’un modèle structural utilisé ensuite comme base pour des modélisations hydrogéologiques, les analyses de sûreté et les planifications techniques d’ingénierie. Les mesures de la campagne de sismique 3-D effectuées de janvier à mars 1997 ont contraint les exécutants à des exigences organisationnelles élevées, car il a fallu mesurer les signaux de réflexion dans une région assez urbanisée et à forte utilisation agricole. Près de 9'000 points de source ont été répartis dans l’aire d’investigation, dotés chacun de 480 géophones répartis sur 8 lignes de mesures. Les paramètres de terrain ont été définis en vue d’une implantation efficace pour garantir une qualité optimale des données. Le sous-sol a pu être reconnu avec une maille régulière de 15 × 15 m, en utilisant des lignes de réception symétriques à 180 m de distance et un intervalle de 30 m entre les stations de mesure. Grâce à une superposition multiple relativement élevée de chaque maille souterraine, on a pu compenser en grande partie les effets partiellement perturbateurs de couches saturées en eau proches de la surface et de sillons profonds d’alluvionnement quaternaire. Au cours du traitement des données, les procédures de l’empilement (stacking) DMO-3D et de la migration 3-D ont fourni l’apport principal à l’amélioration du rapport signal/bruit des données brutes. Le spectre de fréquence relativement large utilisable sur l’horizon-cible, de 10 à 85 Hz environ, a permis une haute définition des couches sédimentaires. La corrélation entre les horizons de réflexion obtenus à partir de la surface par la sismique 3-D et les données géophysiques mesurées dans le forage de reconnaissance de Benken est excellente. Le sismogramme synthétique dérivé des diagraphies sonique et de densité dans le forage permet un calibrage précis des horizons de réflexion. Le VSP-Walkaway aide en outre à surmonter des différences locales de qualité dans l’ensemble des données de sismique 3-D au voisinage du forage et permet ainsi d’extrapoler à toute la région des résultats très pointus mais ponctuels observés dans le forage de Benken. A l’aide des paramètres épaisseur, densité et vitesse de propagation sismique mesurés dans le forage, les horizons de réflexion sismique interprétés peuvent être évalués en termes lithostratigraphiques au moyen d’une modélisation. La résolution spatiale élevée de la sismique 3-D permet une analyse détaillée des structures géologiques jusque dans le domaine du mètre. L’analyse des structures a été effectuée au moyen de représentations conventionnelles des amplitudes sur des coupes verticales, ainsi qu’à l’aide de calculs de cohérence et de cartes d’attributs sismiques. Les failles et les flexures ayant un rejet vertical d’au moins 10 m peuvent être directement identifiées sur les coupes. Les données de cohérence et d’attributs permettent même d’identifier de plus petits rejets. De telles structures, rendues visibles pour la première fois grâce à la sismique 3-D, apportent des indications nouvelles pour l’interprétation de la géologie structurale locale. Un catalogue illustre et décrit tous les éléments structuraux recoupant la roche d’accueil des Argiles à Opalinus et des Couches à Murchisonae qui remplissent les critères minimaux d’extension latérale et verticale. Avec la présente évaluation on a saisi quantitativement et cartographié toutes les failles qui affectent les Argiles à Opalinus avec un rejet vertical d’au moins 10 m et une extension latérale d’au moins 150 m environ. L’évaluation confirme la situation quasiment non perturbée des couches de la roche d’accueil dans la région investiguée. De manière générale, on constate que le degré de déformation est faible au-dessus du Lias, et n’augmente systématiquement que vers la base du Mésozoïque. En première approximation, on peut distinguer trois étages tectono-stratigraphiques:
  • Molasse – Mésozoïque supérieur: des failles à rejet identifiable sur de grandes distances et sur tous les horizons de réflexion n’ont pu être localisées que dans la partie nord-est de la région étudiée, le long de la faille de Neuhausen
  • Mésozoïque inférieur: la base du Mésozoïque et les couches du Trias sont déformées à petite échelle, particulièrement dans la partie sud-ouest de la région étudiée. Des structures de compression indiquent une tectonique d’inversion et l’influence des structures du socle au moment du Trias moyen à tardif. Au cours du Lias et du Dogger précoce, certaines de ces structures d’inversion semblent avoir été légèrement réactivées par une tectonique d’extension. Des différences locales d’épaisseur de la roche d’accueil sont interprétées comme le résultat d’une subsidence différentielle au début du dépôt des Argiles à Opalinus.
  • Domaine sub-mésozoïque: l’interprétation de la séquence permo-carbonifère par la sismique réflexion 3-D et des profils sismiques régionaux de 1991/92 effectués dans le voisinage permet une délimitation entre le socle cristallin surélevé au forage de reconnaissance de Benken et le fossé permo-carbonifère orienté WSW-ENE (fossé de Weiach) dans la partie sud de la région investiguée par la sismique 3-D.
Les structures principales de la région étudiée sont la zone surélevée de Benken délimitée par la flexure de Rafz – Marthalen au sud et la flexure de Wildensbuch au nord. Au nord-est, la région étudiée est délimitée par la faille de Neuhausen, déjà identifiée par des données régionales antérieures, à l'est par l'anticlinal de Trüllikon et à l'ouest par la zone à structures de Niderholz. La flexure de Wildensbuch orientée W-E, constitue la structure la plus marquante de la partie centrale de la région étudiée. Composée d’une zone de flexure et de divers éléments de faille en échelon elle passe environ 700 m au nord de forage de Benken et rejoint la faille de Neuhausen à l’est. Les éléments de faille de la flexure de Wildensbuch présentent un rejet vertical maximal d’environ 17 m au niveau des Argiles à Opalinus. Dans le cadre de l’interprétation sismo-stratigraphique on a calculé des attributs différents pour visualiser les variations locales des caractéristiques sismiques à différents intervalles de profondeur. Ensuite, en se basant sur les résultats du forage de Benken, les conditions lithostratigraphiques ont été modélisées en quatre points de la région investiguée en 3-D, du toit des Couches d’Effingen jusqu’au Keuper à gypse inférieur. On a ainsi pu fournir des indications qualitatives sur des variations sismo-stratigraphiques au niveau de la roche d’accueil et des formations voisines. A l’aide d’un modèle régional des vitesses de propagation des ondes sismiques existant, complété par les données du forage de reconnaissance de Benken, on a élaboré des cartes de profondeur et d’épaisseur des horizons sismiques évalués. La carte d'épaisseur pour l’intervalle des Argiles à Opalinus et des Couches à Murchisonae montre une épaisseur située en général entre 105 et 125 m, avec une réduction progressive vers le sud-est. A petite échelle, des variations d’épaisseur allant de 90 à 140 m environ sont liés à des structures tectoniques locales.