An integrated geological characterization of the Mid-Pleistocene to Holocene geology of the Sørlige Nordsjø II offshore wind site, southern North Sea

 Hannah E. Petrie , Christian H. Eide, Haflidi Haflidason , Jo Brendryen and Timothy Watton

Publication dans BOREAS - An international journal of Quaternary reasearch

Pour citer cet article : Petrie, H. E., Eide, C. H., Haflidason, H., Brendryen, J., & Watton, T. (2024). An integrated geological characterization of the Mid-Pleistocene to Holocene geology of the Sørlige Nordsjø II offshore wind site, southern North Sea. Boreas, 53(2), 186-226.

Les fondations d’éoliennes offshore dépendent fortement des propriétés géotechniques du fond marin, qui en mer du Nord ont été profondément modifiées par les glaciations du Quaternaire. Ces processus ont créé des sols hétérogènes, surconsolidés ou déformés, pouvant complexifier et augmenter le coût de la conception des fondations. Des exemples comme le cas du Dogger Bank montrent que la glacitectonique et les dépôts glacilacustres ont un impact direct sur l’implantation et le dimensionnement des structures éoliennes.

L’étude examine comment les processus glaciaires et postglaciaires du Quaternaire tardif ont façonné la stratigraphie peu profonde du sud de la mer du Nord. En combinant :

• données sismiques 2D/3D,
• profils sub-bottom
• et carottages,

elle propose une première caractérisation géologique du site éolien offshore Sørlige Nordsjø II. Un modèle préliminaire du sol et une carte des risques géologiques sont établis afin d’identifier les unités majeures et les principaux géorisques. L’objectif est d’améliorer la compréhension géotechnique du site et de rendre ces analyses accessibles aux géoscientifiques non spécialistes.

Zone d'étude

SNII est l’une des deux zones norvégiennes récemment ouvertes aux licences d’énergie offshore et couvre 2 600 km² au sud de la mer du Nord, dans des eaux de 50 à 70 m de profondeur.

Situé près de l’ancienne limite maximale de la calotte glaciaire de la mer du Nord, le secteur a été fortement influencé par les dynamiques rapides de la glace et des eaux de fonte à la fin du Weichsélien. Comprendre précisément l’impact de ces processus glaciaires sur les environnements de dépôt est essentiel pour élaborer des modèles de sol et de dépôt fiables pour SNII et les futurs projets éoliens de la région.

Histoire géologique du sud de la Mer du Nord

Rifting, subsidence et diapirisme salin

La configuration actuelle du bassin de la mer du Nord résulte de multiples phases de rifting entre la fin du Carbonifère et le Jurassique supérieur. Le site SNII se situe au-dessus du Bassin Permien Nord, où les dépôts évaporitiques du Zechstein se sont accumulés et ont ensuite été mobilisés pour former des structures salifères, dont des diapirs, encore actives localement jusqu'au Cénozoïque.

Au Cénozoïque :

• affaissement post-rift concentré dans le graben central et les bassins danois,
• entraînant l’accumulation de plus de 2 km de sédiments paléogènes–néogènes et d’environ 1 km de sédiments quaternaires,
• suffisamment épais pour enfouir et maturer les roches mères jurassiques productrices d’hydrocarbures.

Ces hydrocarbures ont migré vers des structures anticlinales et des hauts intra-bassins induits par la compression du Crétacé supérieur et le mouvement du sel.

Les failles, pockmarks et cheminées de gaz associées à ces migrations constituent des géorisques à prendre en compte pour SNII et les futurs projets éoliens offshore du sud de la mer du Nord.

Les glaciations au Quaternaire

Au cours du Pléistocène (2,58 Ma – 11,7 ka), la mer du Nord a été soumise à plusieurs glaciations durant lesquelles les calottes britanniques et scandinaves ont avancé dans le bassin. Trois grandes glaciations sont distinguées : l’Elstérien, le Saalien et le Weichselien, séparées par les interglaciaires Holsténien et Eémien.

Les corrélations régionales restent toutefois difficiles, surtout pour les glaciations anciennes. Les données sismiques 3D récentes ont révélé une histoire glaciaire plus complexe qu’attendu, avec cinq à sept générations de vallées tunnel subglaciaires.

Le passage répété des calottes a fortement érodé et déformé les sédiments, comme le montrent les structures glacitectoniques et les vallées tunnel observées dans la mer du Nord et les basses terres d’Europe du Nord-Ouest. Certaines de ces vallées restent visibles aujourd’hui sous forme de creux bathymétriques, tout comme les linéations glaciaires et les complexes morainiques issus de la dernière déglaciation

Les vallées en tunnel

Dans le secteur danois, les vallées en tunnel peuvent atteindre 400 m de profondeur et inciser la base du Pléistocène. Leur âge exact reste difficile à déterminer, car peu de remplissages ont été directement datés.

Ces vallées présentent des remplissages très hétérogènes, comprenant des dépôts subglaciaires grossiers, des sédiments fluviaux postglaciaires, des argiles glacilacustres rigides ou encore des sables marins interglaciaires. En raison du contraste acoustique entre ces remplissages et le substrat, l’imagerie sismique sous les vallées est souvent de mauvaise qualité, un problème accentué par la présence possible d’hydrocarbures peu profonds.

La glaciation du Weichsélien supérieur

Au Weichselien supérieur, SNII se situe juste au nord de la limite maximale supposée de la calotte glaciaire de la mer du Nord, dans la zone où les calottes britannique-irlandaise (BIIS) et fennoscandienne (FIS) se seraient séparées. Les reconstructions suggèrent une fusion BIIS–FIS entre 30 et 24 ka, suivie d’une séparation et d’un réavancement tardif du lobe de la mer du Nord entre 21 et 17 ka. Les études ne s’accordent toutefois pas sur le moment exact de la séparation, certaines propositions allant de ~22–19 ka.

Des recherches menées à Dogger Bank montrent une dynamique glaciaire beaucoup plus complexe qu’attendu, incluant plissements, chevauchements et écoulements glaciaires multiples. Cependant, les secteurs au NE de Dogger Bank, dont SNII, restent peu étudiés, laissant incertaines la chronologie et la dynamique de la séparation BIIS–FIS et du drainage des eaux de fonte via le passage des bancs de Dogger et Jutland.

Déglaciation et inondation marine (transgression)

 Les données radiocarbone montrent que la déglaciation de la mer du Nord débute vers 19 ka au nord, tandis que le retrait glaciaire commence probablement dès ~23 ka au sud de Dogger Bank. Durant cette phase, le niveau marin global étant ~120 m plus bas, la majeure partie de la mer du Nord était émergée. Le réchauffement entraîne alors des changements rapides : formation et vidange de lacs glaciaires, réseaux de chenaux d’eau de fonte proglaciaires et transformation progressive des plaines périglaciaires en systèmes fluviaux, estuariens puis marins.

Le sud de la mer du Nord, connu sous le nom de Doggerland, a fait l’objet de nombreuses études permettant de reconstituer l’évolution de ses paysages et de ses systèmes de drainage. Le principal système paléodrainage est la Paléovallée de l’Elbe (EPV), large de ~40 km et longue de 210 km, dont le remplissage passe d’un dépôt fluvial tressé à un dépôt estuarien (~10,8 ka BP), puis marin (>8 ka BP). Son évolution témoigne également d’une possible vidange catastrophique d’un lac glaciaire vers 18,5 ka.

Des systèmes dendritiques similaires au NW de l’EPV et au SE de Dogger Bank montrent des traces d’incision sous-glaciaire suivie de réactivation par l’eau de fonte tardive du Weichselien. La présence de faciès glacilacustres confirme l’existence d’un lac glaciaire de la mer du Nord. Finalement, la transgression marine progresse depuis l’Atlantique et la Manche, submergeant Doggerland entre ~8 et 7,5 ka BP, bien que la date d’inondation précise de SNII reste incertaine, avec des estimations variant de 21–19 ka à ~9–12 ka BP.