CE TRAVAIL A LA FOIS METHODOLOGIQUE ET EXPERIMENTAL CONCERNE L'IMAGERIE SISMIQUE DE HAUTE RESOLUTION DE STRUCTURES GEOLOGIQUES ASSOCIEES AUX RISQUES VOLCANIQUE ET SISMIQUE. L'OBJET DE CE TRAVAIL EST DE DEVELOPPER ET APPLIQUER, SUR DES SITES SELECTIONNES, DE NOUVELLES METHODES D'INVESTIGATION SISMIQUE EXPLOITANT LA DENSITE DES CAPTEURS ET LA MOBILITE DES SOURCES SISMIQUE ACTIVES. CE TRAVAIL EST DE PLUS EN ETROITE RELATION AVEC LE RECENT DEVELOPPEMENT DU RESEAU SISMIQUE-SISMOLOGIQUE, IMAGERIE DE HAUTE RESOLUTION. <br />NOTRE TRAVAIL FAIT PARTIE D'UN PROJET DONT L'OBJECTIF EST EN PARTICULIER D'ETUDIER LE VOLCAN DE LA SOUFRIERE DE GUADELOUPE DANS LE BUT DE PREDIRE SON COMPORTEMENT FUTUR. NOUS NOUS SOMMES FOCALISES SUR UNE EXPERIENCE PRELIMINAIRE D'IMAGERIE HAUTE RESOLUTION D'UN EDIFICE VOLCANIQUE SITUE DANS LE CHAINE DES PUYS EN AUVERGNE DANS LE BUT DE PREPARER UNE CAMPAGNE DE PLUS GRANDE ENVERGURE AUX ANTILLES. NOS TRAVAUX APPORTENT DES INFORMATIONS PRIMORDIALES POUR LA MODELISATION DE LA DYNAMIQUE D'UNE ERUPTION ET DONC POUR LA PREVENTION DES RISQUES VOLCANIQUES.<br />NOUS NOUS INTERESSONS PAR AILLEURS A LA CARACTERISATION SISMIQUE DES FAILLES SISMOGENES ET ETUDIONS LA FAILLE NORD-ANATOLIENNE EN TURQUIE. NOUS AVONS MENE UNE CAMPAGNE DE SISMIQUE REFLEXION A TRAVERS CETTE FAILLE. NOS TRAVAUX PRESENTENT DEUX PRINCIPALES APPLICATIONS, LA CONTRAINTE DES MODELES DE RUPTURE DE FAILLE ET L'EVALUATION DU RISQUE SISMIQUE ACCRU DANS LES ZONES DE FAILLE.<br />CE TRAVAIL NOVATEUR CONFIRME LA PUISSANCE DE LA SISMOLOGIE ACTIVE BASEE SUR L'UTILISATION DE RESEAUX DENSES DE CAPTEURS ET DE SOURCES. CE TRAVAIL CONSTITUE UN APPORT CRUCIAL POUR L'EVALUATION DES RISQUES VOLCANIQUE ET SISMIQUE.

La marge de Nankai dans la zone Tokai n'a pas subi de rupture lors du dernier épisode sismique de 1944-1946, qui a affectée tout le reste de la marge. Un fort séisme est donc à attendre à cet endroit au cours des prochaines années. Afin de mieux contraindre l'étendue de la zone sismogène, une campagne sismique 3D a été menée en 2000 sur le prisme de Nankai. Cette thèse s'inscrit dans la double thématique méthodologique et géologique de cette campagne. L'aspect méthodologique comprend la prise en compte des specificités de l'imagerie 3D par rapport à l'imagerie 2D classique. Lors de l'acquisition, la géométrie du dispositif source-récepteurs doit être parfaitement connue. Grâce à une méthode mise au point à cet effet, la géométrie a pu être reconstruite avec une excellente précision. Le traitement a également amélioré sensiblement les images obtenues, même si certains objets n'apparaissent pas de manière évidente dans les données. Les images 3D ont cependant permis de beaucoup mieux contraindre la position des failles majeures du prisme (Tokai, Kodaiba) en profondeur, et donc de mieux comprendre la cinématique du prisme. L'aspect géologique a révélé que la déformation de la marge est dominée par les événements Quaternaires, qui ont affecté une couverture du bassin d'avant-arc très calme auparavant. Plusieurs phases de plissement sont visibles, dont une en avant du bassin qui peut chronologiquement être reliée à l'arrivée en subduction d'une ride océanique. L'étude du BSR a également permis indirectement de donner un ordre de grandeur des processus d'érosion et de sédimentation sur la marge. Les larges glissements de terrains observés peuvent être simplement liés à l'activité sismique de la marge, sans intervention de surpression de fluides dans les pores. Enfin, un volcan observé en subduction est peut-être à l'origine de l'inactivation de la faille de Tokai, qui ne présente aucun signe d'activité récente.

L'agglomération grenobloise est située sur un bassin sédimentaire profond et encaissé. Comme les autres vallées alpines, elle est sujette, en cas de séisme, à d'importants effets de site: les mouvements sismiques sont fortement amplifiés sur presque toute la gamme de fréquences intéressant le génie parasismique et leur durée est très allongée. S'intégrant dans un projet multidisciplinaire, ce travail se propose : d'analyser l'origine, la nature et les caractéristiques des ondes sismiques piégées dans le bassin, et de contribuer à une meilleure connaissance quantitative des caractéristiques mécanique et géométrique du remplissage alluvial. A cette fin, un réseau dense de 29 sismomètres répartis sur 1 km2 a été déployé en ville au printemps 1999. Des séismes locaux, régionaux et lointains furent enregistrés, ainsi que le bruit de fond sismique. Ces signaux ont été analysés grâce au traitement d'antenne MUSIC permettant d'identifier l'azimut, la vitesse, l'énergie et la polarisation des ondes traversant le réseau. Les critères de cohérence entre signaux retenus ont permis d'analyser environ 40% de l'énergie des séismes. Il en ressort que, dans le bassin, les ondes directes véhiculent seulement 20% de l'énergie cohérente et les 80% restant sont dus à des réverbérations locales entre les bords de la vallée. Ces réverbérations (dont l'origine spatiale ne dépend pas du séisme considéré) prennent la forme d'ondes de surface composées environ de 60% d'ondes de Rayleigh et de 40% d'ondes de Love, excitées pour des fréquences supérieures à la fréquence fondamentale du bassin. A basse fréquence, les champs d'ondes associés au bruit sismique et aux séismes présentent une certaine similarité soulignant l'importance de la structure sur la propagation des ondes. Enfin, des prospections sismiques réalisées dans la vallée du Grésivaudan à l'aide d'un camion vibrateur ont permis de préciser la géométrie du substratum et d 'estimer les vitesses et atténuations moyennes des ondes P et S.

L'objectif de ce travail est de réaliser une nouvelle plateforme d'interprétation sismique 3D semi-automatique basée sur la connaissance géologique employée aujourd'hui par les experts du domaine. A l'heure actuelle, la majeure partie des solutions sont basées sur les traitements d'image et l'utilisation de quantités d'attributs sismiques. Elles fournissent un résultat interprétable par un expert qui réalise alors une correspondance informelle entre la nouvelle image obtenue et des objets géologiques. Nous désirons explorer une nouvelle méthodologie mettant en avant la formalisation de la connaissance utilisée dans l'interprétation sismique comme la vision cognitive le permet et le conseille. Ainsi, nous caractérisons le résultat des traitements d'images opérés sur le bloc sismique grâce à des concepts et à relations visuelles provenant d'une ontologie dédiée. Ces caractéristiques nous permettent alors de formaliser l'interprétation d'objets géologiques à partir de ces instances et ainsi de proposer de manière automatique des solutions d'interprétation d'un bloc sismique, que l'expert pourra choisir de valider. Dans ce travail, nous avons à coeur de nous concentrer sur l'identification de deux premiers objets géologiques à identifier dans une image sismique : les horizons et les failles. Une ontologie de ce domaine d'étude est proposée afin de servir de base pour la création de la plateforme.

Dans un contexte d'exploration et d'exploitation pétrolières, le traitement des données acquises par sismique réflexion requiert une analyse structurale à des fins de modélisation. Cette analyse passe par une phase d'extraction des structures horizontales représentant les empilements géologiques. Les techniques actuelles nécessitent beaucoup de temps et l'attention quasi permanente d'un spécialiste pour réaliser et valider cette opération effectuée structure par structure. De plus, la quantité de données sismiques augmentant rapidement avec l'évolution des techniques d'acquisition, leur traitement représente une charge de travail de plus en plus importante. Dans cette thèse, nous nous proposons d'alléger la phase d'extraction des structures horizontales en réalisant une segmentation presque automatique de ces dernières à l'aide d'outils basés sur des techniques morphologiques et topologiques. Nous présentons également quelques applications s'appuyant sur les structures que nous avons extraites. Ces applications facilitent l'analyse des données 3D en proposant de nouvelles méthodes de calcul d'attributs sismiques à partir des données d'amplitude.

La construction du macro-modèle de vitesse est une étape cruciale de la chaîne d’imagerie sismique afin de produire un modèle adéquat pour la migration ou l'inversion de la formes d’onde complètes (Full Waveform Inversion). Parmi les approches possibles pour construire ce macro-modèle, la tomographie des pentes est fondée sur le pointé d’évènements localement cohérents caractérisés par leur temps de trajet et leurs pentes dans les collections de sismogrammes à source et réflecteur communs. Chaque évènement dans les observables est associé à un petit segment de réflecteur dans le sous-sol caractérisé par sa position et son pendage. Cette thèse propose une reformulation de la tomographie des pentes pour palier aux deux limitations sus-mentionnées. Les temps de trajet sont calculés à l’aide d’un solveur eikonal et la méthode de l’état adjoint est utilisée pour calculer efficacement le gradient de la fonction coût dans le contexte de méthodes d’optimisation locale. Le solveur eikonal est fondé sur une méthode aux différences finies pour la discrétisation des opérateurs différentiels. La méthode est implémentée pour des milieux 2D transverses isotropes avec un axe de symétrie dont l’orientation varie spatialement (milieux TTI). La méthode est évaluée avec différents examples synthétiques comme les cas du modèle isotrope complexe Marmousi et du modèle 2D TTI BP-salt. Dans le cas de milieux TTI, les couplages pouvant exister entre les paramètres de différente nature sont analysés avec un cas synthétique canonique. Cette thèse se conclut par une application à des données de sismique réflexion multitrace large bande (fournie par CGG) afin de reconstruire le modèle de vitesse vertical. / Velocity macro-model building is a crucial step in seismic imaging workflows as it provides the necessary background model for migration or full waveform inversion. Slope tomography, as a reliable alternative for conventional tomography, provides a tool to achieve this purpose where one picks the local coherent events rather than continuous events. These approaches are based on the slopes and traveltimes of the local coherent events which are tied to a reflecting/diffracting point (scatterer) in the subsurface. In this thesis, I introduce an anisotropic slope tomographic approach which aim at macro-model building for subsurface properties in 2D tilted transversely isotropic (TTI) media. In this method, I reformulate the stereotomography, as an slope tomographic tool, such that I replace the ray-based forward engine with a TTI eikonal solver and take advantage of the adjoint state method to calculate the gradients. In result, I can efficiently calculate the traveltimes for complex media and long offset acquisition on a regular grid of the subsurface and formulate a matrix-free framework for the inversion. Different synthetic examples including the isotropic Marmousi and 2D TTI BP-salt model are considered to assess the potential of the method in subsurface parameter estimations. Also, through a simple example, the footprint of parameter cross-talk is investigated for the Thomsen parametrization. As a real data application, the proposed method is applied on a 2D marine BroadSeis data set (provided by CGG) to retrieve the vertical velocity of the subsurface.

La donnée sismique depuis sa conception (modélisation d’acquisitions sismiques), dans sa phase de traitement (prétraitement et migration) et jusqu’à son exploitation pour en extraire les informations géologiques pertinentes nécessaires à l’identification et l’exploitation optimale des réservoirs d’hydrocarbures (interprétation), génère un volume important de calculs. Nous montrons dans ce travail de thèse qu’à chacune de ces étapes l’utilisation de technologies accélératrices de type GPGPU permet de réduire radicalement les temps de calcul tout en restant dans une enveloppe de consommation électrique raisonnable. Nous présentons et analysons les éléments sous-jacents à ces performances. L’importance de l’utilisation de motifs d’accès mémoire adéquats est particulièrement mise en exergue étant donné que l’accès à la mémoire représente le principal goulot d’étranglement pour les algorithmes abordés. Nous reportons des facteurs d’accélération de l’ordre de 40 pour la modélisation sismique par résolution de l’équation d’onde par différences finies (brique de base pour la modélisation et l’imagerie sismique) et entre 8 et 113 pour le calcul d’attributs sismiques. Nous démontrons que l’utilisation d’accélérateurs matériels élargit considérablement le champ du possible, aussi bien en imagerie sismique (modélisation de nouveaux types d’acquisitions à grande échelle) qu’en interprétation (calcul d’attributs complexes sur station de travail, paramétrage interactif des calculs, etc.). / During the seismic imaging workflow, from seismic modeling to interpretation, processingseismic data requires a massive amount of computation. We show in this work that, at eachstage of this workflow, hardware accelerators such as GPUs may help reducing the time requiredto process seismic data while staying at reasonable energy consumption levels.In this work, the key programming considerations needed to achieve good performance are describedand discussed. The importance of adapted in-memory data access patterns is particularlyemphasised since data access is the main bottleneck for the considered algorithms. When usingGPUs, speedup ratios of 40× are achieved for FDTD seismic modeling, and 8× up to 113× forseismic attribute computation compared to CPUs.

La caractérisation des applications en vue de les préparer pour les nouvelles architectures et les porter sur des systèmes très étendus est une étape importante pour pouvoir anticiper les modifications nécessaires. Comme les machines Exascale sont prévues pour la période 2018-2020, l'étude des applications et leur préparation pour ces machines s'avèrent donc essentielles. Nous nous intéressons aux applications d'imagerie sismique et en particulier à l'application Reverse Time Migration (RTM) car elle est très utilisée par les pétroliers dans le cadre de l'exploration sismique.La première partie de nos travaux a porté sur l'étude du cœur de calcul de l'application RTM qui consiste en un calcul de différences finies dans le domaine temporel (FDTD). Nous avons caractérisé cette partie de l'application en soulevant les aspects architecturaux des machines actuelles ayant un fort impact sur la performance, notamment les caches, les bandes passantes et le prefetching. Cette étude a abouti à l'élaboration d'un modèle de performance permettant de prédire le trafic DRAM des FDTD. La deuxième partie de la thèse se focalise sur l'impact de l'hétérogénéité et le parallélisme sur la FDTD et sur RTM. Nous avons choisi l'architecture manycore d’Intel, Xeon Phi, et nous avons étudié une implémentation "native" et une implémentation hétérogène et hybride, la version "symmetric". Enfin, nous avons porté l'application RTM sur un cluster hétérogène, Stampede du Texas Advanced Computing Center (TACC), où nous avons effectué des tests de scalabilité allant jusqu'à 64 nœuds contenant des coprocesseurs Xeon Phi et des processeurs Sandy Bridge ce qui correspond à presque 5000 cœurs / As we are expecting Exascale systems for the 2018-2020 time frame, performance analysis and characterization of applications for new processor architectures and large scale systems are important tasks that permit to anticipate the required changes to efficiently exploit the future HPC systems. This thesis focuses on seismic imaging applications used for modeling complex physical phenomena, in particular the depth imaging application called Reverse Time Migration (RTM). My first contribution consists in characterizing and modeling the performance of the computational core of RTM which is based on finite-difference time-domain (FDTD) computations. I identify and explore the major tuning parameters influencing performance and the interaction between the architecture and the application. The second contribution is an analysis to identify the challenges for a hybrid and heterogeneous implementation of FDTD for manycore architectures. We target Intel’s first Xeon Phi co-processor, the Knights Corner. This architecture is an interesting proxy for our study since it contains some of the expected features of an Exascale system: concurrency and heterogeneity.My third contribution is an extension of the performance analysis and modeling to the full RTM. This adds communications and IOs to the computation part. RTM is a data intensive application and requires the storage of intermediate values of the computational field resulting in expensive IO accesses. My fourth contribution is the final measurement and model validation of my hybrid RTM implementation on a large system. This has been done on Stampede, a machine of the Texas Advanced Computing Center (TACC), which allows us to test the scalability up to 64 nodes each containing one 61-core Xeon Phi and two 8-core CPUs for a total close to 5000 heterogeneous cores

Mes travaux de recherche s'inscrivent dans l'imagerie sismique des premiers kilomètres du sous-sol, en particulier dans le domaine pétrolier. Il s'agit de reconstruire les propriétés de la sub-surface, par exemple la vitesse de propagation des ondes de compression, à partir d'enregistrements en surface de déplacements ou de variations de la pression liés au passage d'un train d'ondes acoustiques ou élastiques. Je me suis attaché, dans ce domaine, à regarder différemment les données sismiques. Les enregistrements sismiques dépendent de la position de source et d'un ensemble de récepteurs, ainsi que du temps d'enregistrement. Ils sont couramment analysés trace par trace, par exemple pour filtrer les données ou bien pour les migrer, c'est-à-dire retrouver en profondeur les perturbations du milieu, typiquement avec des migrations de type Kirchhoff. Dans le cas de la migration dite "reverse-time migration", les points de tir sont vus comme un ensemble : l'information de tous les récepteurs est rétro-propagée depuis la surface jusqu'en profondeur, également pour retrouver les propriétés du milieu. Je propose de considérer des groupes de traces adjacentes, autour d'une fenêtre en temps, et d'examiner différents algorithmes d'imagerie sous cet aspect. L'aspect cohérence locale est justifié dans le domaine pétrolier par les acquisitions actuelles qui sont de plus en plus denses, et aussi par la notion de zone de Fresnel. La cohérence latérale des signaux sismiques est traitée sous deux angles. Le premier donne une vision très épurée : les événements localement cohérents sont décrits en 2D par la position de la trace centrale, une position dans la trace, et une pente qui indique la cohérence. Je montre qu'à partir de ce type d'approche, il est possible de retrouver les grandes longueurs d'onde du modèle de vitesse par analyse de vitesse dans le domaine migré. J'ai pu aussi établir le lien entre cette méthode d'analyse de vitesse et la tomographie de pente. Le second angle d'attaque prend en compte la signature des données sismiques, et en particulier la bande passante limitée. Les applications sont alors beaucoup plus nombreuses : migration, analyse de vitesse, sensibilité de l'image migrée par rapport au modèle de vitesse, et d'autres tâches liées au pré-traitement comme le débruitage, la prédiction des multiples, ... Dans chacun des cas, j'analyse les avantages et limitations de l'utilisation de la cohérence locale. Il s'avère que le choix du code de décomposition en événements locaux (``curvelets'', ...) est étroitement lié à l'application qui en est faite : si l'objectif est de comprimer les données sismiques, alors les curvelets ne sont pas adaptées. S'il s'agit au contraire de savoir comment l'image migrée dépend du choix du modèle de vitesse pris pour la migration, alors les curvelets ont beaucoup d'avantages. Plus particulièrement, les curvelets offrent la flexibilité de la décomposition des données, très utile pour la suppression des bruits cohérents. De plus, elles diagonalisent presque l'opérateur de démigration/migration qui donne la sensibilité de l'image migrée par rapport au choix du modèle de vitesse. Enfin, elles permettent d'exploiter l'aspect multi-échelle des données, avec des applications sur la suppression de l'aliasing. Je montre aussi qu'il est possible de développer d'autres schémas de décomposition et de reconstruction, comme par exemple les ``circlets''. Dans les perspectives de recherche, je tiens à dépasser le cadre asymptotique hautes fréquences dans lequel les curvelets trouvent un cadre naturel. Je propose en particulier une nouvelle formulation du problème d'inversion des formes d'onde (DFWI, Differential Full WaveForm Inversion). Cette méthode se veut générale pour retrouver les propriétés du sous-sol et permettre une optimisation locale, tout en s'affranchissant de la détermination d'un modèle de départ très proche de la solution. Cette idée doit être approfondie. Elle exploite la cohérence locale des données sismiques et suppose que le signal est bien échantillonné en temps et en espace. Les applications sont très nombreuses et touchent le domaine pétrolier, la géotechnique, la sismologie globale et régionale.

Les travaux que je présente ici concernent la dernière phase de mon parcours scientifique et en particulier les six dernières années, période au cours de laquelle une grande partie de mon activité de recherche a été dédiée à l'utilisation des Equations aux Dérivées Partielles pour le filtrage et le rehaussement d'images . Plus particulièrement, en nous intéressant à la classe des images texturées (2D et 3D), nous nous plaçons au cœur des thématiques académiques du Groupe Signal mais nous traitons également une problématique qui recouvre des domaines applicatifs principaux du Groupe Signal de l'UMR IMS : l'imagerie sismique et les matériaux composites.<br /><br />La présentation est organisée en trois chapitres :<br /><br />Dans le premier chapitre, je présente des méthodes non linéaires et adaptatives qui conduisent à de faibles modifications topologiques du signal utile. L'amélioration des images est obtenue par des approches originales permettant d'accentuer de manière uniforme et indépendante les variations locales de contraste et les structures unidimensionnelles avec ou sans rehaussement de contours. Nous présenterons en particulier deux types d'approches, l'une scalaire et l'autre tensorielle. <br />Ces travaux ont été initiés lors de la thèse de Romulus Terebes. Ils ont fait l'objet de deux publications en revue et de neuf communications.<br /><br />Dans le deuxième chapitre, nous adaptons ces méthodes aux spécificités de l'imagerie sismique en rapportant à la fois les travaux développés dans le cadre des thèses de Régis Dargent et de Sorin Pop. Outre l'extension au cas 3D, la problématique abordée a conduit à développer des approches structuralistes qui prennent en compte certaines informations a priori telles que la géométrie des failles. Là encore, nous présentons deux approches : la première relève tout autant du filtrage adaptatif que de la diffusion anisotrope, la seconde étant totalement inspirée d'une approche tensorielle.<br />Les travaux développés autour de la diffusion directionnelle pour la sismique ont fait l'objet de deux publications et de quatre communications. <br /><br />Enfin, la troisième partie présente une extension originale des EDP : dans le cadre des travaux de thèse de Sorin Pop, nous proposons l'utilisation d'une formulation à base d'Equations aux Dérivées Partielles pour mener conjointement une procédure de fusion d'image et une procédure de diffusion. Cette approche permet, à partir de plusieurs sources bruitées, l'obtention d'une sortie fusionnée et lissée. Ces travaux, qui sont encore à l'heure actuelle en cours de développement concernent à la fois des applications en fusion d'images rencontrées classiquement dans la littérature mais également une application 3D très particulière et assez nouvelle : la sismique azimutale. Nous en développerons les grands principes.<br />En 2007, ces travaux ont fait l'objet d'une communication dans 3 conférences internationales, d'un article accepté ; un article est en préparation.