Surface elevation is likely the most fundamental property of our planet. In contrast to land topography, bathymetry, its underwater equivalent, remains uncertain in many parts of the World ocean. Bathymetry is relevant for a wide range of research topics and for a variety of societal needs. Examples, where knowing the exact water depth or the morphology of the seafloor is vital include marine geology, physical oceanography, the propagation of tsunamis and documenting marine habitats. Decisions made at administrative level based on bathymetric data include safety of maritime navigation, spatial planning along the coast, environmental protection and the exploration of the marine resources. This thesis covers different aspects of ocean mapping from the collection of echo sounding data to the application of Digital Bathymetric Models (DBMs) in Quaternary marine geology and physical oceanography. Methods related to DBM compilation are developed, namely a flexible handling and storage solution for heterogeneous sounding data and a method for the interpolation of such data onto a regular lattice. The use of bathymetric data is analyzed in detail for the Baltic Sea. With the wide range of applications found, the needs of the users are varying. However, most applications would benefit from better depth data than what is presently available. Based on glaciogenic landforms found in the Arctic Ocean seafloor morphology, a possible scenario for Quaternary Arctic Ocean glaciation is developed. Our findings suggest large ice shelves around parts of the Arctic Ocean during Marine Isotope Stage 6, 130–200 ka. Steered by bathymetry, deep water from the Amerasian Basin of the Arctic Ocean flows over the central Lomonosov Ridge into the Eurasian Basin. This water mass is traced on its continuing way towards Greenland and the Fram Strait. At the Morris Jesup Rise, bathymetry plays an important role in the partial re-circulation of the water into the Amerasian Basin. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 2: Manuscript. Paper 3: Submitted.</p>

Cette thèse est une contribution à la caractérisation des fonds sous-marins par des techniques acoustiques. On s'intéresse aux fonds sédimentaires, principalement sédiments sableux. Les fonds de sables sont en effet fréquemment rencontrés par petits fonds sous nos latitudes. Les procédés existants de caractérisation acoustique des fonds visent le plus souvent à qualifier la géométrie du sol ou du sous-sol: morphologie du fond, typologie des faciès sédimentaires, identification du toit rocheux ... Toutefois, les détails du sous-sol marin (stratification et composition des sables) nous échappent le plus souvent et on a alors recours à des sondages in-situ ponctuels, coûteux et souvent difficiles à réaliser. Afin de résoudre ce problème, nous avons développé SCAMPI (Système de Caractérisation Acoustique Marine Propagation Interface). C'est un dispositif de caractérisation géoacoustique breveté qui vise justement à réduire notre myopie chronique dans les premiers mètres des sous-sols sableux immergés en calculant des profils verticaux des vitesses du son. Le système développé est typique d'un processus d'inversion basé sur des mesures distantes et indirectes (on ne touche pas le sol). Disposer de profils de vitesses pour caractériser le sous-sol est une étape nécessaire, mais insuffisante pour les applications visées. Pour ces dernières, il s’agit notamment de déterminer si le sable est fin ou grossier, s'il est homogène ou hétérogène, s'il contient des coquilles, s'il est compacté ou pas.Pour répondre à de telles questions, il est nécessaire d'utiliser des relations entre les vitesses du son et les propriétés des matériaux granulaires. Ces relations géoacoustiques sont quasi-inexistantes pour les sables marins, surtout pour les sables grossiers. Pour constituer de nouvelles relations géoacoustiques, il est proposé d’établir des bases de données à partir de mesures in-situ des vitesses acoustiques et des analyses des échantillons de sédiments prélevés au même endroit. Pour cela, un prototype de célérimètre a été développé, INSEA (INvestigation of SEdiment by means of Acoustic), qui permet de mesurer les vitesses et l'atténuation du son dans des sédiments, y compris dans des sables grossiers. / This thesis is a contribution to the seabed exploration by means of acoustical methods. We focus on sediment seabeds, especially on sand sediments because there are often encountered off European coasts. Existing acoustic methods for seabed characterization generally aim to qualify the sub-seafloor: sediment thickness or bedrock cap detection.Nevertheless, accurate sediment stratification or details of the involved sediment are generally out of reach. This is why SCAMPI (Sub-seafloor Characterization by Acoustic Measurements & Parameters Inversion) have been have designed. This patented device is a geoacoustical inversion method based on an underwater acoustic instrumentation towed in water column. It aims to identify and characterize sediment layers over a thickness of 5-10 meters below the seabed, quantifying major physical parameters as compressional speed. But vertical sound speed profiles of the sub-seabed is a necessary step but is insufficient to predict refined information about the sediment: is it coarse, homogeneous, does it contain inclusions ..?To give answers to these questions, geoacoustical relations linking acoustic parameters to sedimentological parameters are required. But these relations are sparse, particular for coarse sands.A velocimeter prototype INSEA (INvestigation of SEdiment by means of Acoustic) have been designed, to measure in situ acoustical parameters of the first centimeters of the seafloor, even in coarse sands. This work is the preliminary work leading to a new project which consist in building specific data bases to elaborate these geoacoustical relations and theoretical modeling in granular wet media suited to marine geophysics applications.

Les sources hydrothermales sont localisées le long des dorsales médio-océaniques et des bassins arrière-arcs. Elles abritent une faune spécialisée dont le développement repose sur la chimiosynthèse microbienne, possible grâce aux éléments réduits présents dans le fluide hydrothermal. Alors que les liens entre les assemblages fauniques et les habitats ont relativement bien été décrits autour du globe, notre connaissance de la dynamique temporelle de ces écosystèmes demeure encore limitée, et particulièrement sur ces échelles de temps cohérentes avec la biologie des organismes (de quelques minutes à plusieurs années). Sur l’exemple des communautés hydrothermales inféodées à la dorsale Juan de Fuca, située dans le nord-est de l'océan Pacifique, ce mémoire vise à comprendre le fonctionnement et la dynamique temporelle des communautés de macrofaunes hydrothermales associées aux assemblages de vers Siboglinidae Ridgeia piscesae à travers le couplage de l'échantillonnage et d'une approche observatoire fond de mer. Cette étude a d’abord permis la description quantitative (composition, diversité et biomasse) de six assemblages de siboglinidés sur l’édifice hydrothermal Grotto (champ Main Endeavour, dorsale Juan de Fuca) et d’évaluer la structure trophique de ces communautés à l’aide des isotopes stables. Les résultats obtenus ont permis d’identifier 36 taxons, caractérisés par une importante diversité de polychètes et une forte densité de gastéropodes. Les assemblages de R. piscesae les plus développés présentaient des diversités plus importantes et des réseaux trophiques plus complexes. La coexistence des espèces au sein des structures biogéniques formées par R. piscesae s’expliquerait par un fort partitionnement des niches écologiques et des ressources nutritionnelles. L'analyse des images vidéo recueillies par le module écologique d’observationTEMPO-mini, déployé sur l’édifice Grotto au sein de l’observatoire câblé Ocean Networks Canada, a permis d’étudier la dynamique temporelle de ces espèces en suivant les variations de l'abondance de la macrofaune hydrothermale quotidiennement pendant une année, et toutes les 4 heures pendant un mois d’été et deux mois d’hiver. Les résultats ont permis de mettre en évidence une influence significative du cycle semi-diurne de la marée et des tempêtes de surface hivernale sur la distribution de deux espèces mobiles et non-symbiotiques (pycnogonides Sericosura sp. et polychètes Polynoidae). La dynamique locale des courants océaniques semble affecter périodiquement le mélange entre les émissions de fluides hydrothermaux et l'eau de mer environnante, modifiant les conditions environnementales au sein de l’habitat.Cette étude suggère que les espèces hydrothermales répondent à ces modifications de l'habitat en ajustant leur comportement. Finalement, dans un contexte où l’observation et l’imagerie prennent une place importante dans l’étude des écosystèmes profonds, cette thèse a permis d'optimiser les techniques d'imagerie vidéo dans l'extraction des données écologiques et dans la recherche des cycles naturels. Dans l’ensemble, ces résultats apportent des informations nouvelles et précieuses dans notre compréhension du fonctionnement et de la dynamique des communautés hydrothermales profondes et ouvre de nouvelles voies de recherches pour l'écologie des écosystèmes marins profonds en général. / Hydrothermal vents are distributed along mid-ocean ridges and back-arc basins. These ecosystems harbour a specialized fauna supported by a local chemosynthetic microbial production, made possible through the oxidation of reduced elements present in the hydrothermal fluid. While the relationships between faunal assemblages and habitats have been relatively well described around the globe, our knowledge on the temporal dynamics of these environments is still limited, particularly at time scale relevant to organisms (from few minutes to several years). Based on hydrothermal vent communities occurring on the Juan de Fuca Ridge, located in the northeast Pacific Ocean, this thesis aims at understanding the functioning and temporal dynamics of macrofaunal communities associated with the Siboglinidae Ridgeia piscesae tubeworm assemblages through the coupling of sampling and seafloor observatory approach. This study first allowed the quantitative description (composition, diversity and biomass) of six siboglinid species assemblages on the Grotto hydrothermal edifice (Main Endeavour, Juan de Fuca Ridge) and the assessment of the trophic structure of these communities using stable isotopes. The results enabled the identification of 36 taxa. An elevated polychaete diversities and high densities of gastropods characterized all assemblages. The most developed R. piscesae assemblages exhibited greater diversity and more complex food webs. The species coexistence within the biogenic structures created by R. piscesae could be explained by a strong partitioning of ecological niches and nutritional resources. The analysis of video images gathered by the ecological observatory module TEMPO-mini, deployed on the Grotto edifice on the cabled observatory OceanNetworks Canada, provided information on the temporal dynamics of the assemblage. The abundance variations of four macrofaunal species were tracked at a daily frequency during one year and every 4 hours during one summer and two winter months. Our results highlighted a significant influence of the semi-diurnal tidal cycle and winter surface storms on the distribution of two mobile and non-symbiotic taxa (Sericosura sp. pycnogonids and Polynoidae polychaetes). The local ocean dynamics seemed to periodically affect the mixing between hydrothermal fluid inputs and surrounding seawater, therefore modifying environmental conditions in vent habitats. This study suggests that hydrothermal species respond to these habitat modifications by adjusting their behaviour. Finally, considering the increased importance of observational and imagery approaches in the study of deep-sea ecosystems, this thesis proposes a guideline and methodology in order to optimise video imagery methods both for the extraction of ecological data and the search of natural cycles. Overall, these results bring novel and valuable information to help understand the functioning and dynamics of deep-sea hydrothermal communities and opens new research avenues for deep-sea ecology in general.

Cette thèse, co-dirigée par Jean-Marc Boucher et Ronan Fablet (IMT Atlantique) et co-encadrée par Didier Charlot (iXBlue), Gilles Le Chenadec et Michel Legris (ENSTA Bretagne), a été réalisée dans le cadre d'une convention CIFRE au sein de la société iXBlue. iXblue développe et commercialise un sondeur multifaisceaux (MBES) SEAPIX principalement dédié au marché de la pêche. Ce système a été développé pour offrir le meilleur compromis entre performances de détection et son coût de revient. Outre les caractéristiques classiques d'un MBES, il propose la particularité unique de pouvoir insonifier des fauchées différentes sous le navire par dépointage électronique du faisceau d'émission de bâbord à tribord et d'avant en arrière. Le travail de thèse a pour objectif d'étudier l'apport de ces nouvelles capacités multi-fauchées dans l'analyse et la classification des fonds marins. La première partie du travail a consisté à réaliser une analyse détaillée de la chaîne de mesure. Cette étude a permis d'évaluer la consistance des niveaux de rétrodiffusion entre les différents modes d'insonification. La deuxième partie s'est intéressée à la recherche des caractéristiques discriminantes du signal rétrodiffusé en tenant compte de la géométrie d'acquisition de chaque mode d'insonification. La dernière étape du travail a porté sur des méthodes de fusion des données acquises. Cette étude s'est réalisée en deux approches; la première considère des données venant du même mode d'insonification (intra-mode) et la seconde venant de modes différents (inter-mode), pour la cartographie des fonds marins. Les résultats expérimentaux obtenus mettent en évidence l'intérêt de la chaîne de traitement proposée et d'une architecture multi-mode sur les jeux de données réelles traitées. / This thesis, co-directed by Jean-Marc Boucher and Ronan Fablet (IMT Atlantique) and co-supervised by Didier Charlot (iXBlue), Gilles Le Chenadec and Michel Legris (ENSTA Bretagne), was realized in the context of a convention CIFRE with the company iXBlue.iXblue develops and commercializes a multibeam echosounder (MBES) SEAPIX primarily dedicated to the fishery market. The system is optimized to offer the best compromise between performances capabilities and cost. In addition to the classical characteristics of an MBES, it offers the unique feature of scanning the seafloor (and the water column volume) by electronical beamform multiple the emission swaths from port to starboard, as well as from forward to backward. The objective of the thesis is to study the contribution of these new multi-swath capacities in the analysis and classification of the seafloor.The first part of the work consisted in carrying out a detailed analysis of the measurement chain. This study evaluated the consistency in acquiring the backscattering strength from different insonification modes. The second part investigated the discriminant characteristics of the backscattered signal while taking into account the acquisition geometry of each insonification mode. The last stage of the work involved to methods of fusing the acquired data. This study was carried out in two approaches; the first considers data from the same insonification mode (intra-mode) and the second from different modes (inter-mode), for the seafloor classification. The obtained experimental results highlight the interest of the proposed processing chain and a multi-mode architecture on the real datasets.

Un sonar latéral de cartographie enregistre les signaux qui ont été rétrodiffusés par le fond marin sur une large fauchée. Les signaux sont ainsi révélateurs de l’interaction entre l’onde acoustique émise et le fond de la mer pour une large plage de variation de l’angle de rasance. L’analyse des statistiques de ces signaux rétrodiffusés montre une dépendance à ces angles de rasance, ce qui pénalise fortement la segmentation des images en régions homogènes. Pour améliorer cette segmentation, l’approche classique consiste à corriger les artefacts dus à la formation de l’image sonar (géométrie d’acquisition, gains variables, etc.) en considérant un fond marin plat et en estimant des lois physiques (Lambert, Jackson, etc.) ou des modèles empiriques. L’approche choisie dans ce travail propose de diviser l’image sonar en bandes dans le sens de la portée ; la largeur de ces bandes étant suffisamment faible afin que l’analyse statistique de la rétrodiffusion puisse être considérée indépendante de l’angle de rasance. Deux types d’analyse de texture sont utilisés sur chaque bande de l’image. La première technique est basée sur l’estimation d’une matrice des cooccurrences et de différents attributs d’Haralick. Le deuxième type d’analyse est l’estimation d’attributs spectraux. La bande centrale localisée à la moitié de la portée du sonar est segmentée en premier par un réseau de neurones compétitifs basé sur l’algorithme SOFM (Self-Organizing Feature Maps) de Kohonen. Ensuite, la segmentation est réalisée successivement sur les bandes adjacentes, jusqu’aux limites basse et haute de la portée sonar. A partir des connaissances acquises sur la segmentation de cette première bande, le classifieur adapte sa segmentation aux bandes voisines. Cette nouvelle méthode de segmentation est évaluée sur des données réelles acquises par le sonar latéral Klein 5000. Les performances de segmentation de l’algorithme proposé sont comparées avec celles obtenues par des techniques classiques. / The sidescan sonar records the energy of an emitted acoustical wave backscattered by the seabed for a large range of grazing angles. The statistical analysis of the recorded signals points out a dependence according grazing angles, which penalizes the segmentation of the seabed into homogeneous regions. To improve this segmentation, classical approaches consist in compensating artifacts due to the sonar image formation (geometry of acquisition, gains, etc.) considering a flat seabed and using either Lambert’s law or an empirical law estimated from the sonar data. The approach chosen in this study proposes to split the sonar image into stripes in the swath direction; the stripe width being limited so that the statistical analysis of pixel values can be considered as independent of grazing angles. Two types of texture analysis are used for each stripe of the image. The first technique is based on the Grey-Level Co-occurrence Matrix (GLCM) and various Haralick attributes derived from. The second type of analysis is the estimation of spectral attributes. The starting stripe at mid sonar slant range is segmented with an unsupervised competitive neural network based on the adaptation of Self- Organizing Feature Maps (SOFM) algorithm. Then, from the knowledge acquired on the segmentation of this first stripe, the classifier adapts its segmentation to the neighboring stripes, allowing slight changes of statistics from one stripe to the other. The operation is repeated until the beginning and the end of the slant range are reached. The study made in this work is validated on real data acquired by the sidescan sonar Klein 5000. Segmentation performances of the proposed algorithm are compared with those of conventional approaches.

Au cours des dernières décennies, les avancées en termes de technologies robotiques sous-marines ont permis de réaliser des levés sur les fonds marins à l'aide de véhicules sous-marins autonomes (AUV). Ainsi, équiper un AUV avec un sonar latéral permet de scanner une vaste zone de manière rapide. Naturellement, les forces armées se sont intéressées à de tels dispositifs pour effectuer des missions de chasses aux mines rapides et sécurisées pour le facteur humain. Néanmoins, analyser des images sonar par un ordinateur plutôt que par un opérateur reste très complexe. En effet, les chaînes de reconnaissance automatique de cibles (ATR) doivent faire face à la variabilité de l'environnement marin et il a été démontré qu'une forte relation existe entre la texture d'une image et la difficulté d'y détecter des mines. Effectivement, sur des fonds fortement texturés, voire encombrés, les performances d'une chaîne ATR peuvent être très dégradées. Ainsi, intégrer des informations environnementales dans le processus apparaît comme une piste crédible pour améliorer ses performances. Ces travaux de thèse proposent d'étudier la manière de décrire cet environnement marin et comment l'intégrer dans un processus ATR. Pour répondre à ces défis, nous proposons tout d'abord une nouvelle représentation des images sonar basée sur l'utilisation du signal monogène. Ce dernier permet d'extraire des informations énergétiques, géométriques et structurelles sur la texture locale d'une image. La nature multi-échelle de cet outil permet de tenir compte de la variabilité en taille des structures sous-marines. Ensuite, le concept de dimension intrinsèque est introduit pour décrire une image sonar en termes d'homogénéité, d'anisotropie et de complexité. Ces trois descripteurs sont directement reliés à la difficulté de détection des mines sous-marines dans un fond texturé et permettent de réaliser une classification très précise des images sonar en fonds homogènes, anisotropes et complexes. De notre point de vue, la chasse aux mines sous-marines ne peut pas être réalisée de la même manière sur ces trois types de fond. En effet, leurs natures et caractéristiques propres mènent à des challenges variés pour le processus ATR. Pour le démontrer, nous proposons de réaliser un premier algorithme de détection spécifique, appliqué aux zones anisotropes, qui prend en considération les caractéristiques environnementales de ces régions. / In the last decades, advances in marine robot technology allowed to perform accurate seafloor surveys by means of autonomous underwater vehicles (AUVs). Thanks to a sidescan sonar carried by an AUV, a wide area can be scanned quickly. Navies are really interested in using such vehicles for underwater mine countermeasures (MCM) purposes, in order to perform mine hunting missions rapidly and safely for human operators. Nevertheless, on-board intelligence, which intends to replace human operator for sonar image analysis, remains challenging. Current automatic target recognition (ATR) processes have to cope with the variability of the seafloor. Indeed, there is a strong relationship between the seafloor appearance on sidescan sonar images and the underwater target detection rates. Thus, embed some environmental information in the ATR process seems to be a way for achieving more effective automatic target recognition. In this thesis, we address the problem of improving the ATR process by taking into account the local environment. To this end, a new representation of sonar images is considered by use of the theory of monogenic signal. It provides a pixelwise energetic, geometric and structural information into a multi-scale framework. Then a seafloor characterization is carried out by estimating the intrinsic dimensionality of the underwater structures so as to describe sonar images in terms of homogeneity, anisotropy and complexity. These three features are directly linked to the difficulty of detecting underwater mines and enable an accurate classification of sonar images into benign, rippled or complex areas. From our point of view, underwater mine hunting cannot be performed in the same way on these three seafloor types with various challenges from an ATR point of view. To proceed with this idea, we propose to design a first specific detection algorithm for sand rippled areas. This algorithm takes into consideration an environmental description of ripples which allow to outperform classic approaches in this type of seafloor.

The slip behaviour of subduction faults and the viscoelastic rheology of Earth’s mantle govern crustal deformation throughout the subduction earthquake cycle. This Ph.D. dissertation presents research results on two topics: (1) coseismic and postseismic slip of the shallowest segment of subduction faults and (2) postseismic deformation following great subduction earthquakes controlled by mantle viscoelasticity. Topic 1: Slip behaviour of the shallowest subduction faults. By modelling high-resolution cross-trench bathymetry surveys before and after the 2011 Mw 9.0 Tohoku-oki earthquake, we determine the magnitude and distribution of coseismic slip over the most near-trench 40 km of the Japan Trench megathrust. The inferred > 60 m average slip and a gentle increase by 5 m towards the trench over this distance indicate moderate degree of net coseismic weakening of the shallow fault. Using near-trench seafloor and sub-seafloor fluid pressure variations as strain indicators in conjunction with land-based geodetic measurements, we determine coseismic-slip and afterslip distributions of the 2012 Mw 7.6 Costa Rica earthquake. Here, trench-breaching slip similar to the Tohoku-oki rupture did not occur during the earthquake, but afterslip extended to the trench axis and reached ~0.7 m over 1.3 years after the earthquake, exhibiting a velocity-strengthening behaviour. These two contrasting examples bracket a possibly wide range of slip behaviour of the shallow megathrust. They help us understand why large tsunamis are generated by some but not all subduction earthquakes. Topic 2: Postseismic deformation following great subduction earthquakes. Due to the asymmetry of megathrust rupture, with the upper plate undergoing greater coseismic tension than the incoming plate, viscoelastic stress relaxation causes the trench and land areas to move in opposite, opposing directions immediately after the earthquake. Seafloor geodetic measurements following the 2011 Tohoku-oki earthquake, modelled in this work, provided the first direct observational evidence for this effect. Systematic modelling studies in this work suggest that such viscoelastic opposing motion should be common to all Mw ≥ 8 subduction earthquakes. As the effect of viscoelastic relaxation decays with time and the effect of fault relocking becomes increasingly dominant, the dividing boundary of the opposing motion continues to migrate away from the rupture area. Comparative studies of ten 8 ≤ Mw ≤ 9.5 subduction earthquakes in this dissertation quantifies the primary role of earthquake size in controlling the “speed” of the evolution of this deformation. Larger earthquakes are followed by longer-lived opposing motion that affects a broader region of the upper plate. / Graduate

No description available.

Detailed information about the oceanic environment is essential for many applications in the field of marine geology, marine biology, coastal engineering, and marine operations. Especially, knowledge of the properties of the sediment body is often required. Acoustic remote sensing techniques have become highly attractive for classifying the sea bottom and for mapping the sediment properties, due to their high coverage capabilities and low costs compared to common sampling methods. In the last decades, a number of different acoustic devices and related techniques for analyzing their signals have evolved. Each sensor has its specific application due to limitations in the frequency range and resolution. In practice, often a single acoustic tool is chosen based on the current application, supported by other non-acoustic data where required. However, different acoustic remote sensing techniques can supplement each other, as shown in this thesis. Even more, a combination of complementary approaches can contribute to the proper understanding of sound propagation, which is essential when using sound for environmental classification purposes. This includes the knowledge of the relation between acoustics and sediment properties, the focus of this thesis. Providing a detailed three dimensional picture of the sea bottom sediments that allows for gaining maximum insight into this relation is aimed at.<p><p><p>Chapters 4 and 5 are adapted from published work, with permission:<p>DOI:10.1121/1.3569718 (link: http://asadl.org/jasa/resource/1/jasman/v129/i5/p2878_s1) and<p>DOI:10.1109/JOE.2010.2066711 (link: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=5618582&queryText%3Dsiemes)<p>In reference to IEEE copyrighted material which is used with permission in this thesis, the IEEE does not endorse any of the Université libre de Bruxelles' products or services.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished